DE2446635A1

DE2446635A1 - Wechselrichteranordnung mit zwei dreiphasigen steuerbaren wechselrichtern

Info

Publication number: DE2446635A1
Application number: DE19742446635
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dipl Ing Dr Forstbauer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-09-30
Filing date: 1974-09-30
Publication date: 1976-04-08
Also published as: ATA608675A; SE7510828L; CH599710A5; JPS5527547B2; BE833869A; JPS5162325A; NL7508252A; US4063143A; FR2286546A1; SE405534B; IT1042838B; AT337833B

Description

Wechselrichteranordnung mit zwei dreiphasigen steuerbaren Wechselrichtern

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wechselrichteranordnung mit zwei dreiphasigen steuerbaren Wechselrichtern, deren Eingänge vorzugsweise an eine gemeinsame Gleichspannungsquelle angeschlossen sind und deren Ausgänge ein erstes bzw. zweites dreiphasiges System von um 120°el gegeneinander phasenversetzten Ausgangsspannungen von rechteckförmigem Verlauf abgeben, die mittels einer Übertragerschaltung transformatorisch zu einem dreiphasigen System von Gesamtausgangsspannungen zusammengesetzt sind, und mit mindestens einem Steuergerät für die steuerbaren Hauptventile der beiden Wechselrichter, das sämtliche Ausgangsspannungen auf einen rechteckförmigen Verlauf steuert.

Für die Steuerung der Gesamtausgangsspannung zweier einphasiger Wechselrichter, die an eine gemeinsame Gleichspannungsquelle angeschlossen sind, ist ein Verfahren bekannt geworden (Siemens-Zeitschrift Okt. 1964, Heft 10, Seiten 775 bis 781, insbes. Bild 7 auf Seite 779), das nach dem Prinzip des elektronischen Drehtransformators arbeitet. Dieses Verfahren wird auch als Schwenkverfahren bezeichnet. Danach ergibt die Zusammensetzung der Ausgangsspannungen beider Wechselrichter über zwei sekundär in Reihe geschaltete Transformatoren eine Gesafcausgangsspannung, die dem Betrag nach durch zeitliche Versbhiebung der Steuerimpulse für den ersten Wechselrichter gegenüber den Steuerimpulsen für den zweiten Wechselrichter änderbar ist. Die Ausgangsspannungen beider Wechselrichter besitzen gleiche Amplitude und Frequenz. Sie zeigen einen rechteckigen Zeitverlauf mit

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einem positiven und einem negativen Spannungsimpuls der Breite 180° pro Periode» Eine Verschiebung der Steuerimpulse für den ersten Wechselrichter bewirkt eine Phasenverschiebung zwischen beiden Ausgangsspannungen. Die rechteckförmige Gesamtausgangsspannung ist der Sinusform angenähert. Sie besitzt aber eine Anzahl von Oberschwingungen niederer Ordnungszahl. Für viele Anwendungsfälle, z. B. bei der unterbrechungsfreien Stromversorgung, insbesondere bei der Speisungeiner Datenverarbeitungsanlage, ist dies unerwünscht. Weiterhin ist die Steuergeschwindigkeit begrenzt. Sie entspricht ungefähr einer Halbperiodendauer.

Die Steuerung eines einzelnen Wechselrichters kann nach dem Prinzip der Impulsbreitenmodulation durchgeführt werden (Siemens-Zeitschrift 45 (1971), Heft 3, Seiten 154 bis 161). Nach diesem Prinzip erzeugt ein dreiphasiger Pulswechselrichter zwischen seinen Ausgangsklemmen ein dreiphasiges symmetrisches Wechselspannungssystem, dessen Grundschwingung eine vorgegebene Frequenz und eine steuerbare Amplitude hat. Die drei Ausgangsspannungen zeigen jeweils einen rechteckförmigen Zeitverlauf mit einer Anzahl positiver und negativer Spannungsimpulse pro Periode. Jede Ausgangsspannung kann weitgehend der Sinusform angenähert werden; sie besitzt außer einem Grundschwingungsanteil jedoch noch zwangsläufig OberSchwingungen verschiedener Frequenzen. Solche Spannungsoberschwingungen sind z. B. bei Betrieb einer Drehstrommaschine unerwünscht, da sie Stromoberschwingungen zur Folge haben, die die Drehstrommaschine zusätzlich belasten. Die Wahl der Anzahl und Lage der einzelnen Spannungsimpulse und die Modulation ihrer Breite wird daher so durchgeführt, daß der Oberschwingungsgehalt der Ausgangsspannung möglichst gering ist. Verbleibende Oberschwingungen sollten hohe Frequenzen haben, damit die Oberschwingungsströme durch die in der Drehstrommaschine vorhandenen Streureaktanzen klein gehalten werden. Ein hoher Grundschwingungsgehalt der Ausgangsspannung läßt sich erreichen, wenn man z. B. die Impulsbreiten proportional zu den Augenblickswerten der Grundschwingungen variiert ο Bei diesem Modulationsverfahren werden Oberschwingungen niederer Ordnungszahl im allgemeinen

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nicht völlig vermieden, wenn die einzelnen Ausgangsspannungen steuerbar sein ©Ilen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der eingangs genannten Wechselrichteranordnung dafür zu sorgen, daß das Oberschwingungsspektrum der Gesamtausgangsspannung hinsichtlich Zahl und Art seiner Ordnungszahlen bei einer Betragsänderung der Grundschwingung konstant gehalten wird. Mit anderen Worten: Die Gesamtausgangsspannung soll steuerbar sein und nur Oberschwingungen ab einer bestimmten hohen Ordnungszahl aufweisen; die Ordnungszahlen dieser Oberschwingungen sollen sich aber im Steuerbereich nicht ändern, insbesondere sollen beim Steuern keine Oberschwingungen mit neuer Ordnungszahl hinzutreten.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Wechselrichteranordnung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die steuerbaren Hauptventile beider Wechselrichter pro Periode der Gesamtausgangsspannungen mehrfach zünd- und löschbar sind, daß jede Ausgangsspannung des ersten und des zweiten Systems pro Periode aus einem positiven Spannungsimpuls der Länge 120°el und aus einem negativen Spannungsimpuls der Länge 120°el besteht, die beide durch eine spannungslose Pause der Länge 6o°el voneinander getrennt sind, daß jeder der beiden Spannungsimpulse im Abstand von jeweils 30°el von seiner Mitte beidseitig eine spannungslose Lücke aufweist, deren Gesamtbreite am Steuergerät symmetrisch zu dieser Stelle einstellbar ist, daß die Höhe der Spannungsimpulse im ersten System betragsmäßig um den Faktor *"v3 größer ist als die Höhe der Spannungsimpulse im zweiten System, daß das zweite System von Ausgangsspannungen gegenüber dem ersten System von Ausgangsspannungen um 30°el im Sinne einer Zeitverzögerung phasenverschoben ist, und daß jeweils eine Ausgangsspannung des ersten Systems mit der gegenüber dieser Ausgangsspannung um 3O°el versetzten Ausgangsspannung des zweiten Systems im Sinne einer Spannungsaddition und mit der gegenüber dieser Ausgangsspannung um 150°el versetzten Augangs-

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spannung des zweiten Systems im Sinne einer Spannungssubtraktion transformatorisch zu einer der drei Gesamtausgangsspannungen des dreiphasigen Systems zusammengesetzt ist.

Es ist bereits bekannt, einen einzelnen Wechselrichter so zu steuern, daß seine Ausgangsspannung pro Periode aus einem positiven und einem negativen Spannungsimpuls jeweils der Länge 120°el besteht, die durch eine spannungslose Pause der Länge 60°el voneinander getrennt sind und die - von der Mitte aus gemessen - beidseitig im Abstand von 30°el eine spannungslose Lücke von einstellbarer Gesamtbreite besitzen (ETZ-B, Bd. 20 (1968), S. 616 bis 621).

Die Gesamtausgangsspannung ist bei der erfindungsgemäßen Wechselrichteranadnung unabhängig von der Gesamtbreite der Lücken und damit unabhängig vom Steuerwinkel immer zwölfpulsig, d. h. es sind in der Gesamtausgangsspannung neben der Grundschwingung nur Oberschwingungen der Ordnungszahl η = (12p - 1) mit ρ = 1, 2, 3 ..., also nur Oberschwingungen der Ordnungszahl η = 11, 13» 23» 25 ... vorhanden. Beim Steuern der Gesantausgangsspannung, d. h. bei einer Änderung der Gesamtbreite der Lücken, ändert sich zwar die Form der Gesamtausgangsspannung, nicht aber die Anzahl und Ordnungszahl der Oberschwingungen. Das Oberschwingungsspektrum ist hinsichtlich seiner Ordnungszahlen η konstant. Wegen der Zwölfpulsigkeit wird eine hohe Stellgeschwindigkeit, also

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eine kleine statisti/ Totzeit für die Gesamtausgangsspannung erreicht. Die Schaltfrequenz der einzelnen Wechselrichterhauptzweige wird bei diesem Verfahren klein gehalten.

Falls die Gesamtausgangsspannung noch weiter sinusförmig anzunähern ist, ist zwischen Wechselrichteranordnung und Last ein Filter zu schalten. Dieses muß für die niedrigste noch vorhandene Oberschwingung ausgelegt werden. Da Oberschwingungen unterhalb der Ordnungszahl η = 11 nicht auftreten, ergibt sich der Vorteil gegenüber den bekannten Wechselrichteranordnungen, daß dieses Filter klein gehalten

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und kostengünstig aufgebaut werden kann. Das dynamische Verhalten des Filters wird dadurch günstig beeinflußt.

Es wurde bereits erwähnt, daß die Höhe der Spannungsimpulse in den ersten Ausgangs spannungen um den Faktor S; größer sein muß als die Höhe der Spannungsimpulse in den zweiten Ausgangsspannungen. Um diese unterschiedlichen Amplituden zu erzeugen, können prinzipiell getrennte Gleichspannungsquellen mit um diesen Faktor ~i3 unterschiedlicher Gleichspannung zur Speisung der beiden Wechselrichter herangezogen werden. Es ist jedoch vorteilhafter, die Eingänge beider Wechselrichter an ein und dieselbe Gleichspannungsquelle, die z. B. eine Batterie sein kann, anzuschließen und die unterschiedlichen Amplituden durch unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse bei der transformatorischen Zusammensetzung der beiden Ausgangsspannungen herzustellen. Dann kommt man mit einer einzigen Gleichspannungsquelle aus.

Hierbei kann so vorgegangen werden, daß die Ubertragerschaltung sowohl einen ersten Transformator, der an den Ausgang des ersten Wechselrichters angeschlossen ist, als auch einen zweiten Transformator, der an den Ausgang des zweiten Wechselrichters angeschlossen ist, enthält, daß der erste Transformator in Dy-Schaltung und der zweite Transformator in Dz-Sbhaltung mit offenem Sternpunkt ausgeführt ist, und daß das übersetzungsverhältnis des ersten Transformators um den Faktor *N3 kleiner ist als das Übersetzungsverhältnis des zweiten Transformators. Bevorzugt sollte der zweite Transformator in Dz6-Schaltung ausgeführt sein.

Weiter kann so vorgegangen werden, daß die Gesamtbreite aller Lücken in den Spannungsimpulsen gemeinsam und gleichsinnig im Bereich von 0° bis 30°el durch eine dem Steuergerät zugeführte Steuergleichspannung einstellbar ist. Man erhält dann einen einfachen Aufbau des Steuergeräts. Prinzipiell kann der Bereich auch von 0° bis 60°el reichen.

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Die Gesamtbreite der einzelnen Lücken kann Stellgröße in
einem Regelkreis sein, der zur Regelung der Gesamtausgangsspannung vorgesehen ist.

Bei der Wechselrichteranordnung ist es möglich, bei der Herstellung der Steuerimpulse für beide Wechselrichter mit
einem einzigen Synchronisiersignal auszukommen. Eine Weiterbildung zeichnet sich demgemäß dadurch aus, daß die Schnittpunkte einer periodischen Synchronisierspannung mit einer
einstellbaren Steuergleichspannung bestimmt werden, und daß die Zündsignale für die Hauptventile beider Wechselrichter in Abhängigkeit von diesen Schnittpunkten gebildet werden. Als Synchronisierspannung kann vorzugsweise eine symmetrische
Sägezahnspannung vorgesehen sein. Hierbei kann so vorgegangen werden, daß als Synchronisierspannung eine symmetrische Sägezahnspannung vorgesehen ist, deren Frequenz gleich dem Zwölffachen der Frequenz der Grundschwingung der Gesamtausgangsspannung ist. Der Aufwand ist hierbei besonders gering. Stattdessen können auch zwei symmetrische, gegeneinander um 180°el versetzte Sägezahnspannungen verwendet werden, deren Frequenz gleich dem Sechsfachen derjenigen der Gesamtausgangsspannung ist. Aus der ersten Sägezahnspannung werden die Zündimpulse für den ersten und aus der zweiten Sägezahnspannung die Zündimpulse für den zweiten Wechselrichter abgeleitet.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Wechselrichteranordnung zeichnet sich dadurch aus, daß für beide Wechselrichter ein gemeinsames Steuergerät vorgesehen ist, das ein Spannungsvergleichsglied zum Vergleich der einstellbaren Steuergleichspannung mit der periodischen Synchronisierspannung und zur Erzeugung von Ausgangss&gnalen bei Spannungsgleichheit enthält, das ein Schieberegister zur Bildung von gegeneinander versetzten Schaltimpulsen enthält, das ifeiter eine von den Schaltimpulsen beaufschlagte Verschiebeeinheit enthält, die verzögerte Schaltimpulse abgibt„ und das eine logische Verknüpfungsschaltung enthält, die durch logische Verknüpfung der Ausgangssignale mit den Schaltimpulsen und den verzögerten

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Schaltimpulsen die Zündsignale für die Hauptventile der beiden Wechselrichter "bildet.

Insbesondere sollte hierbei zur Erzeugung des periodischen Synchronisiersignals ein symmetrischer Sägezahngenerator vorgesehen sein.

Es hat sich gezeigt, daß man mit wenigen Bauelementen auskommt, wenn die vom Schieberegister abgegebenen Schaltimpulse jeweils eine Länge von 30°el besitzen und ..aufeinanderfolgend um jeweils 30°el gegeneinander versetzt sind,wenn die von der Verschiebeeinheit abgegebenen verzögerten Schaltimpulse jeweils eine Länge von 30°el besitzen und aufeinanderfolgend um jeweils 30°el gegeneinander versetzt sind, und wenn jeweils ein verzögerter Schaltimpuls gegenüber jeweils einem Schaltimpu
ist.

impuls im Sinne einer Zeitverzögerung um 15°el phasenversetzt

Ausführungsbeispiele und weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 eine Wechselrichteranordnung mit zwei dreiphasigen Wechselrichtern, einem Steuergerät und einer bevorzugten Übertragerschaltung,

Figur 2 verschiedene Zeitdiagramme für die Wechselrichteranordnung nach Figur 1,

Figur 3 weitere Zeitdiagramme für die Wechselrichteranordnung nach Figur 1,

Figur 4 den Verlauf von Grundschwingung und Oberschwingungen sowie des Klirrfaktors der Gesamtausgangsspannung der Wechselrichteranordnung nach Figur 1 als Funktion des Steuerwinkels,

Figur 5 das Ausführungsbeispiel ein/Steuergerätsfür die Wechselrichteranordnung nach Figur 1 in Blockdarstellung,

Figur 6 den zeitlichen Verlauf von Signalen des Steuergeräts nach Figur 5, und

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Figur 7 den zeitlichen Verlauf weiterer Signale des Steuergeräts nach Figur 5.

Figur 1 zeigt eine Wechselrichteranordnung, die zur Erzeugung einer zwölfpulsigen, dreiphasigen Gesamtausgangsspannung vorgesehen ist. Die Grundschwingung dieser Gesamtausgangsspannung ist dem Betrage nach steuerbar.

Die Wechselrichteranordnung besteht aus einem ersten und einem zweiten dreiphasigen Wechselrichter w1 und w2, die beide eingangsseitig an derselben Gleichspannung u, liegen. Diese Gleichspannung u^ wird von einer Gleichspannungsquelle b geliefert, die durch einen fiktiven Mittelpunkt M¹ in zwei Teilspannungsquellen b1 und b2 gleicher Teilspannung Uj/2 unterteilt ist. Die Gleichspannungsquelle b liefert eine eingeprägte Gleichspannung u^, die auch veränderlich sein kann. Als Glebhspannungsquelle b kann außer einer Batterie auch ein steuerbarer Gleichrichter mit einer Drosselspule und einem Glättungskondensator, gegebenenfalls auch mit einer Pufferbatterie im Ausgangskreis, vorgesehen sein. Jeder Wechselrichter w1 und w2 umfaßt in bekannter Weise sechs steuerbare Hauptventile n11 bis ni6 bzw. n21 bis n26 in Drehstrombrückenschaltung. Als Hauptventile n11 bis n26 können insbesondere Thyristoren eingesetzt werden. Jedem der Hauptventile n11 bis n26 ist eine Rückarbeitsdiode d11 bis di6 bzw. d21 bis d26 gegenparallel geschaltet. Die Wechselrichter w1, w2 liefern ein erstes bzw. zweites dreiphasiges System von um 120°el gegeneinander versetzten Ausgangsspannungen.

In beiden Wechselrichtern w1 und w2 sind zusätzlich noch an sich bekannte Kommutierungseinrichtungen vorgesehen, welche Löschkondensatoren und gegebenenfalls zusätzlich auch steuerbare Löschventile enthalten. Auf die Darstellung dieser Kommutierungseinrichtungen, die für die Funktion erforderlich sind, wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet. Die Kommutierungseinrichtu-ngen sind so ausgebildet, daß die Hauptven-

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tile der in Reihe geschalteten Hauptzweige eines Stranges abwechselnd beliebig gezündet und gelöscht werden können, ohne daß es zu einem Kommutierungskurzschluß kommt. Es muß also z. B-. das im ersten Wechselrichter w1 oben links gezeichnete Hauptventil ni6 in einer Periode beliebig häufig löschbar sein, bevor das rechts daneben eingezeichnete, mit ihm in Reihe liegende Hauptventil n13 unmittelbar anschließend gezündet wird, und umgekehrt. Diesen Anforderungen genügen die bekannten Kommutierungseinrichtungen mit Einzellöschung oder mit Gegentaktlöschung (Siemens-Zeitschrift 43 (1969), Heft 11, Seiten 888 bis 893), nicht jedoch mit ■Ventilfolgelöschung oder mit Phasenlöschung. - Bei Transistoren, die als steuerbare Hauptventile n11 bis ni6 und n21 bis n26 verwendet werden, erübrigt sich eine besondere Kommutierungseinrichtung, da diese Bauelemente pro Periode der Gesamtausgangsspannung bis zu ihrer maximalen Schaltfrequenz beliebig of ein- und abgeschaltet werden können.

Die drei Ausgänge R1, S1, T1 und R2, S2, T2 jedes Wechselrichters w1 bzw. w2 führen in eine Übertragerschaltung T, die zwei dreiphasige Transformatoren m1 und m2 von unterschiedlichem Übersetzungsverhältnis enthält. In der Übertragerschaltung T werden die Ausgangsspannungen beider Wechselrichter w1 und w2 zu einer Gesamtausgangsspannung zusammengesetzt, die an den Phasenklemmen R, S, T erscheint.

In Figur 1 ist der erste Wechselrichter w1 wechselspannungsseitig an den ersten Transformator m1, der in der sogenannten Dy-Schaltung ausgeführt ist, angeschlossen. Speziell wurde hier eine Djö-Schaltung gewählt. Der Sternpunkt des Transformators m1 ist herausgeführt. Er bildet die zu den Phasenklemmen R, S, T gehörende Nulleiterklemme-iM. Der zweite Transformator m2, an den der zweite Wechselrichter w2 wechselspannungsseitig angeschlossen ist, ist in Dz-Schaltung, hier speziell in Dz6-Schaltung, mit offenem Sternpunkt angeschlossen. Anstelle dieser Dz6-Schaltung kann auch eine DzO-Schaltung verwendet werden. Dann ist für den Transforma-

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tor ml eine Dy11-Schaltung zu wählen. Allgemein gesprochen müssen am Ausgang beider Wechselrichter w1, w2 Transformatorschaltungen verwendet werden, von denen die eine einen auflösbaren Sternpunkt besitzt, damit sie an die andere Transformatorschaltung angeschlossen werden kann, und von denen die eine in Dy- und die andere in Dz-Schaltung ausgeführt ist. Die verschiedenen Transformatorschaltungen sind in der Vorschrift 0532 des Verbandes Deutscher Elektrotechniker (VDE) näher erläutert.

Aus Figur 1 geht hervor, in welcher Weise die beiden Transformatoren m1 und m2 zusammengeschaltet sind. Die Primärwicklungen beider Transformatoren m1 und m2 sind jeweils im Dreieck geschaltet. Sekundärseitig sind auf jedem Schenkel des Transformators m1 je eine und auf den Schenkeln des Transformators m2 jeweils zwei Sekundärwicklungen angeordnet. Jeweils zwei Sekundärwicklungen benachbarter Schenkel des Transformators m2 sind miteinander in Gegenrichtung in Reihe geschaltet. Die sekundärseitige Verbindung der beiden Transformatoren m1 und m2 ist so getroffen, daß jeweils die Reihenschaltung von zwei Sekundärwicklungen des Transformators m2 mit einer Sekundärwicklung des Transformators m1 in Serie geschaltet ist. Im einzelnen ist die linke Sekundärwicklung des Transformators m1 mit der ersten mittleren Sekundärwicklung des Transformators m2 in Gegenrichtung und gleichzeitig auch mit der zweiten linken Sekundärwicklung des Transformators m2 in Normalrichtung in Reihe geschaltet. Entsprechend ist die mittlere Sekundärwicklung des Transformators ml mit der ersten rechten Sekundärwicklung des Transformators m2 in Gegenrichtung und gleichzeitig auch mit der zweiten mittleren Sekundärwicklung des Transformators m2 in Normalrichtung in Reihe geschaltet. Schließlich ist entsprechend die rechte Sekundärwicklung des Transformators m1 mit der ersten linken Sekundärwicklung des Transformators m2 in Gegenrichtung und mit der zweiten rechten Sekundärwicklung des Transformators m2 in Normalrichtung in Reihe gesdaaltet. Richtung und Gegenrichtung sind jeweils durch die Punkte an den einzelnen Wicklungen festgelegt .-Der eine, am Sternpunkt

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des Transformators ml gelegene Endpunkt jeder dieser Gesamtserienschaltungen ist an die herausgeführte Nulleiterkleimne M gelegt, der andere Endpunkt führt an eine der Phasenklemmen R, S, T. An den Ausgangsklemmen des Transformators m2, die direkt zu den Phasenklemmen R, S, T führen, und an der Nullleiterklemme M steht -ein dreiphasiges, symmetrisches System von· Gesamtausgangsspannungen einschließlich der Sternspannungen zur Verfügung, welches zur Speisung eines (nicht gezeigten) Verbrauchers vorgesehen ist. Dieses System versorgt z. B. ein Wechselstromnetz oder einen anderen Verbraucher, der einen induktiven und einen ohmschen Lastanteil besitzt. Als Verbraucher kann z. B. auch eine Datenverarbeitungsanlage oder eine Anzahl von Drehstrommotoren vorgesehen sein.

Zum Zünden aller Hauptventile n11 bis ni6 und n21 bis n26 ist ein gemeinsames Steuergerät C vorgesehen. Der Übersichtlichkeit halber ist für jeden der beiden Wechselrichter w1, w2 nur eine einzige Verbindungsleitung zwischen einem Hauptventil ni6 bzw. n26 und dem Steuergerät C eingezeichnet, über welche die Zündsignale zi6 bzw. n26 gegeben werden. Falls steuerbare Löschventile in den Kommutierungseinrichtungen der Wechselrichter w1, w2 vorhanden sind, gibt das Steuergerät C auch Steuerimpulse an diese Löschventile ab.

Das Steuergerät C bildet, wie später noch anhand der Figuren 5 bis 7 näher ausgeführt wird, ein periodisches analoges Synchronisiersignal, aus welchem in Abhängigkeit von einer von außen zugeführten Steuergleichspannung u_ die Steuer-Signale gleichermaßen für die Hauptventile n11 bis ni6 und für die Hauptventile n21 bis n26 hergeleitet werden. Die einzelnen Hauptventile n11 bis ni6 und n21 bis n26 werden dabei pro Periode mehrfach gezündet und gelöscht. Die Frequenz beider Wechselrichter u1 und u2 kann am Steuergerät C gemeinsam mittels einer von außen zugeführten Frequenzsteuerspannung u~ fest eingestellt oder in Abhängigkeit von anderen Größen geführt werden. Über die Steuergleichspannung u_c kann

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der Steuerwinkel ed/2 verändert und damit der Betrag der Gesamtausgangsspannung gestellt werden. Der Steuerwinkel «6 /2 ist im allgemeinen proportional zur Steuergleichspannung u,. Die Steuergleichspannung u_ kann in Abhängigkeit von anderen Größen geführt oder - wie in Figur 1 dargestellt in einem Regelkreis gebildet werden.

Bei der in Figur 1 dargestellten Wechselrichteranordnung läßt sich durch einen Spannungsregelkreis die Ge samtausgangsspannung am Ausgang der Übertragerschaltung T betragsmäßig konstant halten. Die Gesamtausgangsspannung wird somit unabhängig von Schwankungen der Gleichspannung u. und von Laststößen des Verbrauchers. Im Spannungsregelkreis wird zunächst mittels eines Spannungswandlers ¥ der Istwert der Gesamtausgangsspannung zwischen den Phasenklemmen R, S, T erfaßt. Dieser Spannungsistwert u^ wird mit einem SpannungsSollwert u„, der durch einen als Potentiometer dargestellten Sollwertgeber P vorgegeben ist, am Eingang eines Spannungsreglers V verglichen. Der Spannungsregler V gibt in:..Abhängigkeit von der Regelabweichung eine Steuergleichspannung u ab, welche dem Steuergerät C zugeführt wird. Somit wird der Steuerwinkel et /2 in Abhängigkeit von der Gleichspannung u_d geführt. Nach Auftreten eines von dem eingestellten Spannungssollwert u_ abweichenden Spannungsistwertes u. wird die Gesamtausgangsspannung so lange über den Steuerwinkel UJ'2 nachgeregelt, bis der SpannungsIstwert u. den Spannungssoliwert u_g wieder erreicht hat.

Die transformatorische Zusammensetzung der Gesamtausgangsspannung der Wechselrichteranordnung von Figur 1 wird unter Zuhilfenahme der Figuren 2 und 3 erläutert. Die in den Figuren 2 und 3 gezeigten Spannungs-Zeit-Diagramme beziehen sich jeweils auf die oberhalb ebenfalls eingezeichnete Zeitoder Phasenwinkelacb.se cot. Letztere erstreckt sich über eine volle Periode der Grundschwingung der Gesamtausgangsspannung, also von 0° bis 36O°el.

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Nach Figur 2 wird eine periodische Synchronisierspannung, im vorliegenden Fall beispielsweise eine symmetrische Sägezahnspannung u . mit einer einstellbaren Steuergleichspannung u verglichen. Die Sägezahnspannung u besitzt zeitlinear ansteigende und zeitlinear abfallende Flanken, den Scheitelwert u und die zwölffache Frequenz der Grundschwingung der Gesamtausgangsspannung der Wechselrichteranordnung. Haben Sägezahnspannung u_ und Steuergleichspannung u denselben Wert, was an den eingezeichneten Punkten im Kurvenverlauf des Diagramms 1 von Figur 2 der Fall ist, so wird in einem (nicht gezeigten) Spannungsvergleichsglied jeweils eine Schaltflanke gebildet. Das Spannungsvergleichsglied erzeugt eine (nicht gezeigte) Rechteckspannung, die z. B. eine abfallende Schaltflanke für den elektrischen Winkel β ^ = q . 30° - at- /2 und eine ansteigende Schaltflanke für den elektrischen Winkel £, = q . 30° + aC/2 besitzt, wobei q =0, 1, 2, 3 ... ist. Man erhält somit die (nicht gezeigte) Rechteckspannung mit der zwölffachen Frequenz der Grundschwingung der Gesamtausgangsspannung. Die Schaltflanken dieser Rechteckspannung liegen symmetrisch zu den Winkeln £ ο ·= Q. · 30°. Jeder Winkel ^₂ bezeichnet eine Lücke. Die Lücken an den Stellen p~ haben entsprechend der Größe der Steuergleichspannung u , die im Bereich von Null Volt bis zum Scheitelwert u__ liegen kann, eine Gesamtbreite 2 die im Bereich von 30 bis 0 el liegt. Hat die Steuergleichspannung u_ z. B. die Höhe des Scheitelwerts u__ angenommen,

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dann beträgt die Gesamtbreite «i = O el. Eine Verringerung der Steuergleichspannung u vom Scheitelwert u_„ aus bedeutet dann eine Vergrößerung der Gesamtbreite d und damit des Steuerwinkels ot/2.

Aus dieser (nicht gezeigten) Rechteckspannung werden durch eine geeignete elektronische Zähl- und Verteilschaltung die Steuerimpulse für die gesteuerten Hauptventile n11 bis ni6 des Wechselrichters w1 und für die gesteuerten Hauptventile n21 bis n26 des Wechselrichters w2 gebildet. Die Steuerimpulsbildung wird so vorgenommen, daß an den Ausgängen R1, S1, T1 des ersten Wechselrichters w1 - gemessen gegen den

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fiktiven Mittelpunkt M¹ der Gleichspannungsquelle b - die Wechselspannungen U(R1, M'), U(S1, M¹) bzw. U(T1, M¹) anliegen.

Diese Wechselspannungen U(R1, M'), U(S1, M') und U(T1, M¹) sind in ihrem zeitlichen Verlauf für 360°el in den Diagrammen 2 bis 4 (vergl. die umrandeten arabischen Ziffern) der Figur 2 eingetragen. Sie bestehen aus einer Anzahl von positiven und negativen rechteckigen Spannungsimpulsen und zeigen jeweils denselben geometrischen Aufbau. Sie sind aber gegeneinander jeweils um 120°el phasenverschoben. Z. B. handelt es sich bei der Wechselspannung ü*(R1, M¹) pro Periode um einen positiven, von 0° bis 180°el reichenden Spannungsimpuls der Länge 180°el, bei dem an der Stelle 90°el ein negativer Spannungsimpuls gleicher Höhe und der Breite °t symmetrisch eingefügt ist, und um einen negativen Spannungsimpuls der Länge 180°el, bei dem an der Stelle 270°el ein positiver Spannungsimpuls gleicher Höhe und der Breite °L symmetrisch eingefügt ist. Die Breite der beiden, eingefügten Spannungsimpulse beträgt also jeweils oi . Sie ist mit Hilfe der Steuergleichspannung u einstellbar. Die Wechsel-Spannungen U(S1, M') und U(T1, M') zeigen pro Periode denselben, jeweils um 120 el verschobenen Aufbau. Die Wechselspannung U(S1, M·) ist gegenüber der Wechselspannung U(R1, M') nach rechts verschoben. Die jeweils gezündeten Hauptventile n11 bis ni6 sind rechts neben den Diagrammen 2 bis 4 angegeben.

Aus der erwähnten (nicht gezeigten) Rechteckspannung werden auch durch geeignete elektronische Zähl- und Verteilschaltungen die Steuerimpulse für die Hauptventile n21 bis n26 des zweiten Wechselrichters w2 gebildet. Die Steuerimpulsbildung erfolgt derart, daß an den Ausgängen R2, S2, T2 des zweiten Wechselrichters w2 gegen den fiktiven Mittelpunkt M¹ der Gleichspannungsquelle b die Wechselspannungen U(R2, M'), U(S2, M¹) bzw. U(T2, M') anliegen. Diese sind in den Diagrammen 7 bis 9 von Figur 2 eingetragen. Daraus ist zu entnehmen,

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daß die einzelnen Wechselspannungen U(R2, M¹)» U(S2, M¹) und U(T2, M¹) in untereinander gleicher Art und Weise aus Einzelspannungsimpulsen zusammengesetzt und gegeneinander jeweils um 120°el phasenverschoben sind. Weiterhin ist zu entnehmen, daß sie denselben geometrischen Aufbau besitzen wie die Wechselspannungen U(R1, M'), U(S1, M') und U(T1, M') in den Diagrammen 2 bis 4. Allerdings ist die Wechselspannung U(R2, M¹) gegenüber der Wechselspannung U(R1, M')> die Wechselspannung U(S2, M') gegenüber der Wechselspannung U(S1, M-¹) und die Wechselspannung U(T2, M¹) gegenüber der Wechselspannung U(T1, M^f) jeweils um 30°el nach rechts phasenverschoben. Z. B. handelt es sich bei der Wechselspannung U(R2, M¹) pro Periode um einen negativen Spannungsimpuls der von 0° bis 30 el reicht, um einen positiven Spannungsimpuls, der von 30° bis 210°el reicht und bei dem an der Stelle 120°el ein negativer Spannungsimpuls eingefügt ist, und um einen negativen Spannungsimpuls, der von 210 bis 360 el reicht und' bei dem an der Stelle 300 el ein positiver Spannungsimpuls eingefügt ist. Die Breite des symmetrisch eingefügten positiven und negativen Spannungsimpulses beträgt jeweils «»{< und ist einstellbar. Rechts neben den Diagrammen 6, 7 und 8 sind die jeweils gezündeten Hauptventile n21 bis n26 vermerkt.

Sind die in den Diagrammen 2 bis 4 und in den Diagrammen 7 bis 9 von Figur 2 angegebenen Wechselspannungen positiv, sind die auf der Plusseite der Gleichspannungsquelle b liegenden Hauptventile n13, n12, n11 bzw. n23, n22, n21 (vergl. Figur 1) gezündet; sind sie negativ, so sind die auf der Minusseite liegenden Hauptventile ni6, n15, ni4 bzw. n26, n25, n24 gezündet. An den angegebenen Stellen sind alle pro Periode eingefügten Spannungsimpulse der anderen Polarität in ihrer Breite °l in einem Steuerwinkelbereich 0° ^ 2 . o£/2 £ 30°el durch die Steuergleichspannung u gleichmäßig und gleichsinnis verschiebbar. Der in den Figuren 2 und 3 beispielsweise dargestellte Fall gilt für einen ■Steuerwinkel oC/2 = 9°el.

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Die als Leiterspannung gemessene Ausgangsspannung U(R1, S1) zwischen den Ausgängen R1, S1 des ersten Wechselrichters w1 ergibt sich als Differenz der Wechselspannungen U(R1, M¹) und U(S1, M^f) in den Diagrammen 2 bzw. 3 von Figur 2. Diese Ausgangsspannung U(R1, S1) ist in Figur 2 im Diagramm 5 eingetragen.

Sie besteht pro Periode aus einem positiven Spannungsimpuls, der von 0° bis 120°el reicht, und aus einem negativen Spannungsimpuls, der von 180° bis 300°el reicht. Jeder Spannungsimpuls besitzt somit eine Länge von 120°el. Beide Spannungsimpulse sind durch eine spannungslose Pause der Länge 60°el voneinander getrennt. Der positive Spannungsimpuls besitzt zwei Lücken gleicher einstellbarer Gesamtbreite *l . Er wird dadurch in drei rechteckförmige Teilimpulse von einstellbarer Breite unterteilt. Die zwei Lücken liegen an den Stellen 30° und 90°el_e Sie sind an diesen Stellen symmetrisch und beidseitig im selben Abstand zur Mitte des positiven Spannungsimpulses angeordnet. Der negative Spannungsimpuls weist ebenfalls zwei Lücken auf. Diese sind bei 210° und 270°el symmetrisch und beidseitig im selben Abstand zur Mitte angeordnet» Auch der negative Spannungsimpuls ist also in drei Teilimpulse unterteilt. Die Lücken weisen alle dieselbe einstellbare Gesamtbreite ^ auf. Die Höhe aller sechs Teilimpulse pro Periode ist betragsmäßig gleich groß.

Die Gesamtbreite °έ jeder der vier Lücken läßt sich beim positiven und negativen Spannungsimpuls im Bereich zwischen 0° und 30°el einstellen« Die Gesamtbreite o£ bezeichnet wiederum das Doppelte des Steuerwinkels oC/2. Im Fall °C = 0° erhält man zwei nicht unterteilte Spannungsimpulse der Länge 120°el, im Fall oi = 30° sechs einzelne Nadelimpulse verschwindender Breite. Durch eine Veränderung der Gesamtbreite •at in den angegebenen Grenzen läßt sich der Mittelwert der Grundschwingüngen der Ausgangsspannung U(R1, S1) verändern.-

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Entsprechend ergibt sich die Ausgangsspannung U(S1, T1) des ersten Wechselrichters w1 als Differenz der Wechselspannungsverläufe U(S1, M') und U(T1, M¹) in den Diagrammen 3 und 4 von Figur 2. Diese Ausgangsspannung U(S1, T1) ist im Diagramm 6 von Figur 2 eingezeichnet. Sie ist gegenüber der Ausgangsspannung U(R1, S1) von Diagramm 5 um 120° nach rechts verschoben. Die beiden Ausgangsspannungen U(R1, S1) und U(S1, T1) erscheinen auch phasenrichtig an der linken bzw. mittleren Sekundärwicklung des Transformators m1 als Wechselspannungen U11 bzw. U12.

Entsprechend ergibt sich die zugehörige Ausgangsspannung U(T1, R1) als Differenz der Wechselspannungen U(T1, M¹) und U(R1, M¹)· Sie ist nicht besonders dargestellt.

Die Ausgangsspannung U(R2, S2) des zweiten Wechselrichters w2 ergibt sich als Leiterspannung zwischen den Ausgängen R2., S2 aus der Differenz der Wechselspannungen U(R2, M¹) und U(S2, M') in den Diagrammen 7 und 8 von Figur 2. Diese Ausgangsspannung U(R2, S2) ist in Diagramm 10 von Figur 3 eingetragen. Der zeitliche Verlauf entspricht genau der Ausgangsspannung U(R1, Si),ist demgegenüber jedoch um 30°el nach rechts phasenverschoben. Sie besteht pro Periode aus einem positiven und einem negativen Spannungsimpuls, die durch einen Zwischenraum von 60°el voneinander getrennt sind. Der positive Spannungsimpuls reicht von 30° bis 150°el_/und der negative Spannungsimpuls reicht von 210° bis 33O°el. Die beiden Spannungsimpulse besitzen an den Stellen 60°el und 120°el bzw. 240°el und 300°el symmetrische Lücken der bereits erwähnten Gesamtbreite et . Diese Gesamtbreite ^ ist bei allen vier Lücken ebenfalls gemeinsam einstellbar, vorzugsweise zusammen mit der Gesamtbreite ^- der Lücken der Ausgangsspannung U(R1, S1). Durch eine Veränderung der Gesamtbreite oL in den Grenzen <£ = 0° und <*- = 30° läßt sich der Mittelwert der Grundschwingung der Ausgangsspannung U(R2, S2) einstellen.

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Die Ausgangsspannung U(S2, T2) des zweiten Wechselrichters w2, die in Figur 3 im Diagramm 11 eingetragen ist, ergibt sich entsprechend als Differenz der Wechselspannungen U(S2, M') und U(T2, IVf¹) in den Diagrammen 8 und 9 der Figur 2. Die Ausgangsspannung U(S2, T2) entspricht im Verlauf der Ausgangsspannung U(R2, S2) und ist gegenüber dieser um 120°el nach rechts phasenverschoben.

Im Diagramm 12 in Figur 3 ist die Ausgangsspannung U(T2, R2) aufgetragen. Ihr Verlauf ergibt sich als Differenz der Wechselspannungen U(T2, M¹) und U(R2, M^f) in den Diagrammen 9 bzw. 7, Sie ist gegenüber der Ausgangsspannung U(R2, S2)_fdie denselben Verlauf beätzt, um 120°el nach links verschoben.

Die Ausgangsspannungen U(R2, S2), U(S2, T2) und U(T2, R2) erscheinen phasenrichtig an den ersten und zweiten Sekundärwicklungen des Transformators m2, wenn dessen Sternpunkt - abweichend von der Darstellung in Figur 3 - kurzgeschlossen ist, als Wechselspannungen U21 bzw. U22 bzw. U23.

Verbindet man nun in der in Figur 1 dargestellten Weise die aufgelösten sekundärseitigen Sternpunktklemmen des Transformators m2 mit den Ausgangsklemmen des Transformators m1, dann ergibt sich die Gesamtausgangsspannung U(R, M) als Sternspännung zu

U(R, M) = U21 - U22 + U11.

Ihr zeitlicher Verlauf für den Steuerwinkel ^C /2 = 9°el ist im Diagramm 13 von Figur 3 dargestellt. Der Verlauf ist weitgehend der Sinusform angenähert.

Entsprechend ergibt sich die Gesamtausgangsspannung U(S, M) als Sternspannung gemäß

U(S, M) = U22 - U23 + U12.

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Ihr zeitlicher Verlauf ist für den Steuerwinkel cL[Z = 9 el im Diagramm 14 von Figur 3 dargestellt. Diese Gesamtausgangsspannung U(S, M) ist gegenüber der Gesamtausgangsspannung U(R, M) um 12O°el nach rechts phasenverschoben, zeigt aber sonst denselben zeitlichen Verlauf. Die (nicht dargestellte) Gesamtausgangsspannung U(T, M) zeigt ebenfalls denselben Verlauf, ist aber um 120°el nach links phasenverschoben. Sie ergibt sich gemäß der Gleichung

U(T, M) - U23 - U21 + U13.

Am Ausgang der Übertragerschaltung T erhält man somit ein symmetrisches dreiphasiges Wechselspannungssystem mit den drei Gesamtausgangsspannungen U(R, M), U(S, M) und U(T, M), die weitgehend der Sinusform angenähert sind. Jede besteht pro positiver und negativer Halbperiode aus dreizehn einzelnen Teilimpulsen von rechteckigem Verlauf unterschiedlicher Höhe. Die Breite aller dieser Teilimpulse ist einstellbar. Alle 30°el findet sich eine Stelle, von der aus die Breite der einzelnen Teilimpulse gleichförmig geändert wird. Dabei ist zu beachten, daß mit steigendem Steuerwinkel βέ/2 die Breite des einen Teilimpulses zunimmt, während die Breite des benachbarten Teilimpulses abnehmen kann. Beispielsweise nimmt im Diagramm 13 von Figur 3 der erste negative Teilimpuls ti in seiner Breite mit steigendem Steuerwinkel «*/2 ab, während der benachbarte zweite negative Teilimpuls t2 auf Kosten des dritten negativen Teilimpulses t3 zunimmt.

Es war eingangs vorausgesetzt worden, daß "beide Wechselrichter w1, w2 an derselben Gleichspannung u·, liegen. Aus dem Vergleich zwischen den Diagrammen 5 und 6 in Figur 2 und den Diagrammen 10, 11 und 12 in Figur 3 ist ersichtlich, daß die Amplituden der Ausgangsspannungen U(R1, S1) und U(S1, T1) des ersten Systems gegenüber der Amplituden der Ausgangsspannungen U(R2, S2), U(S2, T2) und U(T2, R2) des zweiten Systems größere Werte haben. Der Vergrößerungsfaktor beträgt ^TS. Das wird durch ein unterschiedliches Übersetzungsverhältnis (Eingangs-

609815/0184 _ ₂₀ _

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spannung zu Ausgangsspannung) der beiden Transformatoren m1 und m2 erreicht. Hat der Transformator m1 das Übersetzungsverhältnis 1, dann muß der Transformator m2 das Übersetzungsverhältnis 1 /\p haben.

Allgemein läßt sich also folgendes sagen: Das zweite System von Ausgangsspannungen U(R2, S2), U(S2, T2), U(T2, R2) oder bei Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses des zweiten Transformators m2 - ist gegenüber dem ersten System von Ausgangsspannungen U(R1, S1), U(S1, T1), U(T1, R1) oder bei Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses des ersten

** ο
Transformators m1 - um 30 el im Sinne einer Zeitverzögerung phasenverschoben. Jeweils eine betrachtete Ausgangsspannung des ersten Systems, z. B. die Ausgangsspannung U(R1, S1) oder U11, ist mit derjenigen Ausgangsspannung U(R2, S2) oder U21 des zweiten Systems, die gegenüber dieser betrachteten Ausgangsspannung U(R1, S1) oder U11 um 30 el phasenversetzt ist, im Sinne einer Spannungsaddition und gleichzeitig auch mit derjenigen Ausgangsspannung U(S2, T2) oder U22 des zweiten Systems, die gegenüber dieser betrachteten Ausgangsspannung U(R1, S1) oder U11 um 150°el phasenversetzt ist, im Sinne einer Spannungssubtraktion transformator!sch zusammengeschaltet. Sie liefert durch diese Zusammenschaltung die eine Gesamtausgangsspannung U(R, M) des dreiphasigen Systems an Gesamtausgangsspannungen U(R, M), U(S, M), U(T, M).

Aus den Diagrammen 13 und 14 der Figur 3 ist ersichtlich, daf3 die Gesamtausgangsspannung U(R, M) bzw. U(S, M) einen zwölfpulsigen Spannung-sverlauf hat. Dieser Spannungsverlauf enthält bei jedem Steuerwinkel **/2 neben der Grundschwingung nur Oberschwingungen der Ordnungszahl η = (12p - 1) mit ρ = 1, 2, 3 ..., also Oberschwingungen der Ordnungszahl 11, 13, 23, 25 ... usw...Oberschwingungen einer so hohen Ordnungszahl werden in den meisten Anwendungsfällen nicht als störend empfunden. Bei einer Änderung des Steuerwinkels ^/2 ändern sich nur die Amplitude der Grundschwingung und die Amplitude dieser Oberschwingungen. Es treten dabei jedoch im gesamten Bereich des Steuerwinkels oL/2 keine Oberschwingungen einer

* U21, U22, U23
** U11, U12, U13'

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anderen Ordnungszahl hinzu. Die Anzahl der Ordnungszahlen ist also im gesamten Steuerwinkelbereich konstant.

Zwischen der in Figur 1 dargestellten Wechselrichteranordnung und der Last L kann zusätzlich noch eine (nicht gezeigte) Filteranordnung aus Induktivitäten und Kapazitäten oder auch aus aktiven Filtern angeordnet werden, die den Betrag der 11., 13·, 23., 25. ... Oberschwingung der Gesamtausgangsspannung auf das notwendige Maß herabsetzen, z. B. so, daß der Oberschwingungsgehalt kleiner als 5 % wird.

Wegen der hohen Pulsigkeit der Gesamtausgangsspannung U(R, M), U(S, M) und U(T, M) wird eine hohe Stellgeschwindigkeit erreicht. Mit anderen Worten: Tritt eine Störung auf, so kann diese Störung bereits durch Veränderung der Gesamtbreite ot der nächsten Lücke in den einzelnen Ausgangsspannungen berücksichtigt und rückgängig gemacht werden. Es braucht also nicht der Ablauf einer vollen Periode abgewartet zu werden. Daraus resultiert eine kleine statische Totzeit der Regelstrecke. Störungen können also mittels des Regelkreises sehr schnell ausgeregelt werden.

In Figur 4 ist für die Gesamtausgangsspannung U(R, M), U(S, M) oder U(T, M) der Verlauf des Effektivwerts der Grundschwingung mit η = 1, der Verlauf des Effektivwerts der Oberschwingung mit der Ordnungszahl η = 11, 13, 23 und 25/ der Verlauf des Effektivwertes der Gesamtspannung, jeweils bezogen auf die Gleichspannung u^, und der Verlauf des Klirrfaktors K als Funktion des Steuerwinkels oC/2 aufgetragen. Daraus ist zu entnehmen, daß mit zunehmendem Steuerwinkel <^/2 die Amplitude der Grundschwingung (n = 1) praktisch linear abnimmt. Weiterhin ist erkennbar, daß der Klirrfaktor K zwar mit zunehmendem Steuerwinkel oi/2 insgesamt zunimmt, daß dabei außer den angegebenen keine weiteren Oberschwingungen auftreten.

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Bei der Wechselrichteranordnung nach Figur 1 werden die drei Ausgangswechselspannungen U(R, M), U(S, M) und U(T, M) gemeinsam geregelt. Eine solche Regelung ist angebracht, wenn eine symmetrische Last vorliegt. Ist das nicht der Fall, so kann eine einphasige Regelung vorgenommen werden. Dazu sind drei einphasige Wechselrichteranordnungen jeweils mit einem Spannungsregelkreis zu versehen. Jede dieser einphasigen Wechselrichteranordnungen umfaßt zwei einphasige Wechselrichter, die Wechselspannungen entsprechend Diagramm 5 und 10 abgeben. Dabei wird die Mittelsymmetrie der Grundschwingung bei Einhaltung der Zwölfpulsigkeit der Phasenspannung beibehalten.

In Figur 5 ist in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines Steuergerätes C veranschaulicht. Es dient zur Bildung von Zündsignalen z11 bis zi6 sowie z21 bis z26 für die Hauptventile der beiden Wechselrichter w1 bzw. w2 bei gemeinsamer dreiphasiger Spannungsregelung. In den Figuren 6 und 7 ist untereinander der zeitliche Verlauf der Signale, die bei diesem Steuergerät C auftreten, dargestellt. Die Figuren 5 bis 7 werden im folgenden gemeinsam betrachtet.

Nach Figur 5 wird die Frequenzsteuerspannung u~ einem Spannungs-Frequenz-Wandler F zugeführt, der zwei zueinander inverse rechteckförmige Ausgangssignale a und b (vergl. Figur 6) abgibt. Die Frequenz dieser Ausgangssignale a und b ist gleich dem Zwölffachen der Grundschwingung der Gesamtausgangsspannung. Durch eine Änderung der Frequenzsteuerspannung u~ ist eine Frequenz- und Phaseneinstellung möglich. Beide Ausgangssignale a und b werden in einen Sägezahngenerator G gegeben, der als periodische Synchronisierungsspannung eine symmetrische Sägezahnspannung u_ liefert. Die Sägezahnspannung u , die ebenfalls die zwölffache Frequenz der Gesamtausgangsspannung besitzt, wird einem Eingang eines Spannungsvergleichsgliedes H zugeführt. Der andere Eingang dieses Spannungsvergleichsgliedes H ist durch die Steuergleichspannung u beaufschlagt. Diese kann der Gesamtausgangsspannung der Wechselrichteranordnung proportional sein. Die

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beiden Eingangsspannungen u und u werden miteinander betragsmäßig verglichen. Das Spannungsvergleichsglied H, das bevorzugt noch eine Einrichtung zur Aussteuerbegrenzung besitzt, bildet bei einer aufsteigenden und abfallenden Flanke der Sägezahnspannung u je einen Schnittpunkt mit der Steuergleichspannung u . Die Schnittpunkte sind je nach Größe der Steuergleichspannung u im Bereich von O bis 15 el verschiebbar. Das Spannungsvergleichsglied H liefert zwe.i zueinander inverse pulsförmige rechteckige Ausgangssignale d und e. Jeweils bei Spannungsgleichheit der Spannungen u_ und u^ besitzen diese beiden Ausgangssignale d und e eine inverse Umschaltflanke (H-*L, L—-*H). Jede Umschaltflanke ist also zeitlich identisch mit einem Schnittpunkt. Beide Ausgangssignale d und e besitzen die sechsfache Frequenz der Grundsehwingung der Gesamtausgangsspannung U(R, M) und eine variable Impulsbreite. Sie werden einer logischen Verknüpfungsschaltung L zugeleitet.

Die Ausgangssignale a und b des Spannungs-Frequenz-Wandlers F, werden nicht nur in den Sägezahngenerator G, sondern auch in ein Schieberegister N gegeben. Hier werden aufeinanderfolgend zwölf Schaltimpulse f1 bis f12 gebildet, die über zwölf getrennte Leitungen ebenfalls der logischen Verknüpfungsschaltung L und einer Verschiebeeinheit D zugeleitet werden. Die einzelnen Schaltimpulse f1 bis f12, von denen pro Periode und pro Kanal nur einer gebildet wird, sind bei jeder Frequenz der Ausgangssignale a, b jeweils um 30°el gegeneinander versetzt. Ihre Länge beträgt jeweils 30°el. Die Verschiebeeinheit D sorgt dafür, daß jeder Schaltimpuls f1 bis f12 unter Beibehaltung seiner Länge von 30°el um 15°el nach rechts verschoben, also verzögert wird. An den zwölf Ausgängen der Verschiebeeinheit stehen die verzögerten Schaltungsimpulse g1 bis g12 zur Verfügung, die gleichfalls in die Verknüpfungsschaltung L geleitet werden.

Dem Schieberegister N sollte noch eine Setzschaltung P zugeordnet sein, mit der das Schieberegister N im Anlauf gesetzt

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werden kann.

Die logische Verknüpfungsschaltung L besitzt eine Anzahl von UND- und ODER-Verknüpfungsgliedern, mit denen aus den eingegebenen Signalen d und e sov/ie aus den eingegebenen Schaltimpulsen f1 bis fil2 sowie g1 bis g12 die Zündsignale z11 bis z16 für die Hauptventile n11 bis ni6 des ersten Wechselrichters w1 sowie die Zündimpulse z21 bis z26 für die Haiptventile n21 bis n26 des zweiten Wechselrichters w2 gebildet werden. Der Aufbau dieser logischen Verknüpfungsschaltung L ist beliebig; sie muß nur infolge ihrer logischen Verknüpfungen in der Lage sein, die in Figur 7 unten dargestellten Zündsignale z11, zi4, z12, z15 sowie z21, z24, z22 und z25 zu liefern.

Eine genauere Betrachtung des zeitlichen Verlaufs z. B. der Zündsignale z11 und zi4 in Figur 7 ergibt, daß sie zueinander invers sind. D. h., solange das Hauptventil n11 gezündet ist, ist das benachbarte Hauptventil ni4 gesperrt, und umgekehrt. Die Zünd- und Löschzeitpunkte sind so gewählt, daß sich der im Diagramm 2 von Figur 2 gezeigte Verlauf der Wechselspannung U(R1, M¹) einstellt. Der Verlauf des Zündsignals z11 ergibt sich - dargestellt in Boolescher Schreibweise - aus folgender Verknüpfung:

z11 » f1vf2vg2v(g3Ae)vg4vf5vf6v(g8Ad) , (1)

Der Verlauf des Zündsignals zi4 ergibt sich aus dem Negativen der Verknüpfung des Zündsignals z11:

z14 = ΈΤΓ. (2)

Der Verlauf des Zündsignals z12, der gegenüber dem Verlauf des Zündsignals z11 um 120°el nach rechts phasenverschoben ist, läßt sich durch folgende Verknüpfung darstellen:

z12 = (g1^Ad)v^*|5vg6v(g7Ae)vg8vf9vf1O . (3)

809 8-1 5/01 84'

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Die Negation dieser Verknüpfung liefert den Verlauf des inversen Zündsignals z15:

z15 " ζΪ2 , (4)

Die beiden Zündsignale z12 und z15 liefern eine Wechselspannung U(S1, M¹)» deren zeitlicher Verlauf im Diagramm 3 in Figur 2 dargestellt ist.

Es ist ersichtlich, daß sich für die Zündsignale z13» zi6, die gegenüber den Zündsignalen z12 bzw. z15 um weitere 120°el nach rechts phasenverschoben sind, entsprechende Verknüpfungen angeben lassen.

Die beiden nächsten Diagramme von Figur 7 zeigen den Verlauf der Zündsignale z21 und z24 für die beiden benachbarten Hauptventile n21 bzw. n24 des zweiten Wechselrichters w2. Auch diese beiden Zündsignale z21 und z24 sind zueinander invers. Ihre Zünd- und Löschzeitpunkte sind so gewählt, daß sich der im Diagramm 7 von Figur 2 gezeigte Verlauf der Wechselspannung U(R2, M^f) ergibt. Der Verlauf des Zündsignals z21 ergibt sich aus der folgenden Verknüpfung:

z21 = f2vf3vg3v(g4A_e)vg5vf6vf7v(g10_Ad). (5)

Der Verlauf des Zündsignals z24 ergibt sich aus dem Negativen der Verknüpfung des Zündsignals z21:

z24 = ζ2Ϊ. (6)

Der Verlauf des Zündsignals z22, der gegenüber dem Verlauf des Zündsignals z21 um 120 el nach rechts phasenverschoben ist,läßt sich durch folgende Verknüpfung darstellen:

z22 = (_giAd)vf6vf7vg7v(g8Ae)vg9vf10vf11 . (7)

Die Negation dieser Verknüpfung liefert den Verlauf des inversen Zündsignals z25:

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z25 = z2T (8)

Es ist ersichtlich, daß sich für die restlichen Zündsignale z23, z26.des zweiten Wechselrichters w2 entsprechende Verknüpfungen angeben lassen.

Zusammenfassend ist also zu sagen, daß die logische Verknüpfungsschaltung L logische Bauelemente wie UND- und ODER-Glieder enthält, die aus den eingegebenen Signalen d, e und Schaltimpulsen f1 bis f12 und g1 bis g12 gemäß den Verknüpfungen die Zündsignale z11 bis zi6 für den ersten Wechselrichter w1 und auch die Zündsignale z21 bis z26 für die Hauptventile n21 bis n26 des zweiten Wechselrichters w2 bilden.

Der maximal erreichbare Steuerwinkel beträgt oC/2 = 15 el. Es können damit nur 50 % der Eingangsgleichspannung u nachgestellt werden. Für alle bekannten Anwendungen ist dies ausreichend.

7 Figuren

13 Patentansprüche

Claims

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Patentansprüche

Wechselrichteranordnung mit zwei dreiphasigen steuerbaren Wechselrichtern, deren Eingänge vorzugsweise an eine gemeinsame Gleichspannungsquelle angeschlossen sind und deren Ausgänge ein erstes bzw. zweites dreiphasiges System von um 120 el gegeneinander phasenversetzten Ausgangsspannungen von rechteckförmigem Verlauf abgeben, die mittels einer Übertragerschaltung transformatorisch zu einem dreiphasigen System von Gesamtausgangsspannungen zusammengesetzt sind, und mit mindestens einem Steuergerät für die steuerbaren Hauptventile der beiden Wechselrichter, das sämtliche Ausgangsspannungen auf einen rechteckförmigen Verlauf steuert, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Hauptventile (n11 bis ni6; n21 bis n26) beider Wechselrichter (w1, w2) pro Periode der Gesamtausgangsspannungen (U(R, M), U(S, M), U(T, M)) mehrfach zünd- und löschbar sind, daß jede Ausgangsspannung (U11, U12, U13; U21, U22, U23) des ersten und des zweiten Systems pro Periode aus einem positiven Spannungsimpuls der Länge 120°el und aus einem negativen Spannungsimpuls der Länge 120°el besteht, die beide durch eine spannungslose Pause der Länge 60°el voneinander getrennt sind, daß jeder der beiden Spannungsimpulse im Abstand von jeweils 30 el von seiner Mitte beidseitig eine spannungslose Lücke aufweist, deren Gesamtbreite («t) am Steuergerät (C) symmetrisch zu dieser Stelle einstellbar ist, daß die Höhe der Spannungsimpulse im ersten System betragsmäßig um den Faktor "T3 größer ist als die Höhe der Spannungsimpulse im zweiten System, daß das zweite System von AusgangsSpannungen (U21, U22, U23) gegenüber dem ersten System von Ausgangsspannungen (U11, U12, U13) um 30°el im Sinne einer Zeitverzögerung phasenverschoben ist, und daß jeweils eine Ausgangsspannung (ζ. B. U11) des ersten Systems mit der gegenüber dieser Ausgangsspannung (U11) um 30°el versetzten Ausgangsspannung (U21)

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des zweiten Systems im Sinne einer Spannungsaddition und mit der gegenüber dieser Ausgangsspannung (U11) um 150 el versetzten Ausgangsspannung (U22) des zweiten Systems im Sinne einer Spannungssubtraktion transformatorisch zu einer der drei Gesamtausgangsspannungen (U(R, M)) des dreiphasigen Systems zusammengesetzt ist.
2. Wechselrichteranordnung nach Anspruch 1, wobei die Eingänge beider Wechselrichter an eine gemeinsame Gleichspannungsquelle angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragerschaltung (T) sowohl einen ersten Transformator (m1), der an den Ausgang des ersten Wechselrichters (w1) angeschlossen ist, als auch einen zweiten Transformator (m2), der an den Ausgang des zweiten Wechselrichters (w2) angeschlossen ist, enthält, daß der erste Transformator (m1) in Dy-Schaltung und der zweite Transformator (m2) in Dz-Schaltung mit offenem Sternpunkt ausgeführt ist, und daß das Übersetzungsverhältnis des ersten Transformators (m1) um den Faktor ~λ5 kleiner ist als das Übersetzungsverhältnis des zweiten Transformators (m2),
3. -Wechselrichteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transformator (m1) in Dy5-Schaltung und daß der zweite Transformator (m2) in Dz6-Schaltung ausgeführt ist.
4. Wechselrichteranordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklungen beider Transformatoren (m1, m2) im Dreieck geschaltet sind.
5. Wechselrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtbreite (*i ) aller Lücken in den Spannungsimpulsen gemeinsam und gleichsinnig im Bereich von 0° bis 30°el durch eine dem Steuergerät

(C) zugeführte Steuergleichspannung (u ) einstellbar ist.

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6. Wechselrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtbreite (ot) der Lücken die Stellgröße in einem Regelkreis ist, der zur Regelung der Gesamtausgangsspannung (U(R, M), U(S, M), U(T, M)) vorgesehen ist.
7. Wechselrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittpunkte einer periodischen Synchronisierspannung mit einer einstellbaren Steuergleichspannung (u ) bestimmt werden, und daß die Zündsignale (z11 bis zi6; z21 bis z26) für die Hauptventile (n11 bis ni6; n21 bis n26) beider Wechselrichter (w1, w2) in Abhängigkeit von diesen Schnittpunkten gebildet werden.
8. Wechselrichteranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Synchronisierspannung eine symmetrische Sägezahnspannung (u ) vorgesehen ist, deren Frequenz gleich dem Zwölffachen der Frequenz der Grundschwingung der Gesamtausgangsspannung (U(R, M), U(S, M), U(T, M)) ist.
9. Wechselrichteranordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß für beide Wechselrichter (w1, w2) ein gemeinsames Steuergerät (C) vorgesehen ist, das ein Spannungsvergleichsglied (H) zum Vergleich der einstellbaren Steuergleichspannung (u_) mit der periodischen Synchroniederspannung (u ) und zur Erzeugung von Ausgangssignalen (d, e) bei Spannungsgleichheit enthält, das ein Schieberegister (N) zur Bildung von gegeneinander versetzten Schaltimpulsen (f1 bis f12) enthält, das weiter eine von den Schaltimpulsen (f1 bis f12) beaufschlagte Verschiebeeinheit (D) enthält, die verzögerte Schaltimpulse (g1 bis g12) abgibt, und das eine logische Verknüpfungsschaltung (L) enthält, die durch logische Verknüpfung der Ausgangssignale (d, e) mit den Schaltimpulsen (f1 bis f12) und den verzögerten Schaltimpulsen (g1 bis g12) die Zündsignale (z11 bis z16; z21 bis z26) für die Haupt ventile

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(n11 bis ni6; n21 bis n26) der beiden Wechselrichter (w1, w2) bildet (Figur 5).
10. Wechselrichteranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des periodischen Synchronisiersignals (u ) ein symmetrischer Sägezahngenerator

(G) vorgesehen ist.
11. Wechselrichteranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Sägezahngenerator (G) ein Spannungs-Frequenz-Wandler (F) vorgeschaltet ist, der von einer Frequenzsteuerspannung (u_f) beaufschlagt ist.
12. Wechselrichteranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Schieberegister (N) vom Ausgangssignal (a, b) des Spannungs-Frequenz-Wandlers (F) gespeist ist.
13. Wechselrichteranordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Schieberegister (N) abgegebenen Schaltimpulse (f1 bis f12) jeweils eine Länge von 30°el besitzen und aufeinanderfolgend um jeweils 30 el gegeneinander versetzt sind, daß die von der Verschiebeeinheit (D) abgegebenen verzögerten Schaltimpulse (g1 bis g12) jeweils eine Länge von 30°el besitzen und aufeinanderfolgend um jeweils 30°el gegeneinander versetzt sind, und daß jeweils ein verzögerter Schaltimpuls (g1 bis g12) gegenüber jeweils einem Schaltimpuls (f1 bis f12) im Sinne einer Zeitverzögerung um 15°el phasenversetzt ist.

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