DE2843886C2

DE2843886C2 - Schaltungsanordnung mit einem Stromteiler für parallelbetriebene Wechselrichter

Info

Publication number: DE2843886C2
Application number: DE2843886A
Authority: DE
Inventors: Albert 5790 Brilon Becker
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1978-10-07
Filing date: 1978-10-07
Publication date: 1982-06-09
Also published as: WO1980000767A1; AT366523B; NL7920077A; BE879218A; DE2843886A1; ATA903379A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem Stromteiler für im Gleichlauf gesteuerte, parallelbetriebene Wechselrichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Schaltungsanordnungen sind bekannt, z. B. durch die DE-AS 24 18 576 und DE-AS 23 45 571, wobei die Wicklungen auf den Transformatorkernen Stromwandler oder, auf je einem gemeinsamen Kern, Drosseln bilden. Die Sekundärwicklungen der Stromwandler sind in einem sekundären Schleifenkreis in Reihe geschaltet. Hierdurch erst wirken die Stromwandler zusammen wie ein Stromteiler und zugleich auch wie ein einziger Stromwandler, welcher Steuerfunktion aufweist. Aber ohne Zuhilfenahme weiterer Mittel kann dieser Stromwandler einen Regler ium Ausgleich von Spannungsabweichungen bei mehreren Wechselrichtern ersetzen. Ein Transformator wie auch ein Stromwandler können für eine gewünschte Spannungsaufnahme ausgelegt werden, um beispielsweise die erwähnten Spannungsabweichungen auszugleichen, doch ist die Fähigkeit der Spannungsaufnahme auch bei einem bürdenfreien Stromwandler bei Erhaltung des Wandlerverhaltens erheblich beschränkt.

Mit den je zwei auf einem gemeinsamen Kern gewickelten Drosseln, mithin gleichfalls mit je einer zusätzlichen Wicklung sowie einem zusätzlichen Schaltglied, wird bei der Schaltungsanordnung nach der DE-AS 23 45 571 ähnlich wirkend ein Stromteiler für Parallelbetrieb von Wechselrichtern erreicht, unter der Voraussetzung, daß bei den Wechselrichtern die Spannungsabweichungen nur annähernd gleichgroß, also nicht beliebig sind.

in Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung mit einem nach dem Transformatorprinzip arbeitenden Stromteiler für im Gleichlauf gesteuerte, parallelbetriebene, auch redundant parallelbetriebene Wechselrichter anzugeben, mit der ohne den Aufwand sekundärer Ausgleichsstromkreise beliebig unterschiedliche Spannungsabweichungen der Wechselrichter ausgeglichen werden und Phasengleichlauf bis zu einem Grade erzeugt wird, der mit einer elektronischen Phasengleichlaufregelung zu vergleichen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Anordnungen zur elektronischen Phasengleichlaufregelung sind bekannt, beispielsweise für zwei parallelbetriebene Wechselrichter durch die DE-PS 14 63 336, und ferner für mehr als zwei parallelbetriebene Wechselrichter durch die DE-PS 22 31 152.

Nach e:ner weiteren Ausbildung der Erfindung ist eine jede Schenkelkernwicklung des Mehrschenkel-

jo kerr.s mit einer Windungszahl ausgelegt, die so groß ist, daß der sie tragende Schenkelkern bei einer vorgegebenen Spannungsaufnahme auf einen Ind' ".tionswert unterhalb der Sättigung magnetisiert wird, so daß die Zeitdauer zur Magnetisierung des Schenkelkerns, von

j) diesem Induktionswert ausgehend in die Sättigung, kürzer ist als die Umschaltzeit des zugeordneten Wechselschalters (Umschaltphase). Damit bleibt bei einem notwendig werdenden Heraustrennen eines Wechselrichters aus dem Parallelverbund im Fall einer Störung desselben der Scheitelwert der Verbraucherspannung voll erhalten, während der Effektivwert der Spannung nur wenig verändert wird.

Ein bedeutender Vorteil der Erfindung wird in der stromausgleichenden Wirkung des mehrschenkligen Transformators und seiner Fähigkeit gesehen, beachtliche Spannungsunterschiede wie auch Unterschiede in der Phasenlage der von einer Anzahl pai-allelbetriebener Wechselrichter erzeugten Wechselspannungen aufnehmen zu können. Dadurch kann nämlich eine zur Phasenausgleichsregelung notwendige, rein elektronische Regelung, die in der Regel ziemlich aufwendig ist, teilweise oder sogar ganz ersetzt werden durch eine Steuerung für ein mechanisches Schütz. Während des Umschaltens wird die Kurvenform der Verbraucher-

5-> spannung kaum verändert, so daß der Scheitelwert der Verbraucherspannung erhalten bleibt und der Effektivwert nur geringfügig verändert wird. Außerdem kann ein mehrschenkliger Stromteilertransformator gemäß der Erfindung mit Schenkelkernwicklungen unter-

bo schiedlicher Wicklungszahlen ausgelegt werden, um damit die erwähnte stromausgleichende Wirkung auch bei einer ungleichmäßigen Aufteilung des Verbraucherstromes auf die Wechselrichter zu erreichen. Des weiteren können die einzelnen Wechselrichter an

b> unterschiedliche Versorgungsgleichspannungen angeschlossen werden. Auch kann der Stromteilertransformator in einem Verteilfeld optimal angeordnet werden. Werden schließlich Wechselrichter größerer Leistung

miteinander parallelbetrieben, dann ist der Mehrschenkelkern des Stromteilertransfcrmators mit entsprechend längeren Schenkelkernen auszustatten, und es ist dann zweckmäßig, die Wicklungen in Zick-Zack-Schaltung auf den Schenkelkernen aufzubringen, damit die s magnetische Feldstreuung vermieden wird.

Die Wechselrichter sind so hinreichend voneinander entkoppelt, daß ein Wechselrichter durch eine andere Stromquelle, z. B. durch das öffentliche Wechselstromnetz, nachgebildet bzw. ersetzt werden kann, vorausge- ι ο setzt, daß die Frequenz der Wechselrichter von der Frequenz der Stromquelle bzw. Netzfrequenz geführt wird

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachstehend beschrieben. Es ι > zeigt

F i g. 1 eine Anordnung mit einem Stromteilertransformator für drei parallelbetriebene Einphasenwechselnchter,

F i g. 2 eine schematische Darstellung der Schaltung der Schenkeikernwicklungen eines Stromteilertransformators nach F i g. 1 in Zick-Zack-Schaltung,

F i g. 3 den zeitlichen Verlauf der Spannung an einer Schenkelkernwicklung und der Verbraucherspannung während der Umschaltzeit eines Wechselschalters.

Bei der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 speisen drei Einphasenwechselrichter 21, 22, 23, die einen Parallelverbund 2 bilden, über einen Stromteilertransformator 1 einen Verbraucher 3 ein. Die drei Wechselrichter sind im Gleichlauf gesteuert und jo redundant parallelbetrieben. Es ist jedem Wechselrichter je eine die Ausgangsspannung u überwachende Einheit 211, 221, 231 mit je einem Signalausgang zugeordnet. Der Signalausgang ist jeweils mit einem Steuereingang des betreffenden Wechselrichters ver- J5 bunden. Der Wechselrichter wird außer Betrieb gesetzt, wenn diesem Eingang ein Signal der Überwachungseinheit zugeführt wird, das erst bei einer unerwünscht großen Abweichung der Ausgangsspannung von dem vorgegebenen Betriebswert u entsteht. Der Stromteilertransformator 1 hat einen Schenkelkern mit drei magnetisch parallelgeschalteten Kernschenkeln 11, 12, 13. Auf jedem Schenkelkern ist eine Wicklung 11', 12', 13' aufgebracht, und alle drei Schenkelkernwicklungen haben die gleiche Windungszahl n. Jede Schenkelkern- 4> wicklung ist am Wicklungsanfang A mit dem Ausgang je eines Einphasenwechselrichters verbunden. Die Wicklungsenden £ dieser drei Wicklungen sind miteinander und mit dem gemeinsamen Verbraucher 3 verbunden.

Jedem Einphasenwechselrichter 21, 22, 23 ist ein -,0 mechanischer Wechselschalter 41,42, 43 resp. mit zwei Schaltstellungen I, II nachgeordnet. In der ersten Schaltstellung I ist, wie es die F i g. 1 zeigt, der Wicklungsanfang A einer Schenkelkernwicklung 11', 12', 13' des Transformators 1 mit dem Ausgang des zugeordneten Wechselrichters 21, 22, 23 verbunden. In der zweiten Schaltstellung II ist der Wicklungsanfang A einer Schenkelkernwicklung mit dem Wicklungsende E derselben Schenkelkernwicklung verbunden. Jede Schenkelkernwicklung hat eine Windungszahl η gleich eo π» die so groß bemessen ist, daß der sie tragende Schenkelkern erst bei einer bestimmten Spannungsaufnahme, die mit einem gewünschten Größenwert vorgegeben werden kann, in die Sättigung magnetisiert wird. b-3

Wenn, wie im vorliegenden Beispiel vorausgesetzt, alle drei Schenkelkernwicklungen 11', 12', 13' gleiche Windungszahlen haben, so werden dadurch gleich große Strome in den Wicklurgen erzwungen. Somit wird der Verbraucherstrom durch den Stromteilertransformator in drei gleich große Teilströme geteilt, und die Wechselrichter sind also gleichmäßig belastet.

Die Erzwingung gleich großei Wechselrichterströme / mit Hilfe eines Stromteilertransformators 1 nach F i g. 1 wird bekanntlich dadurch bewirkt, daß in jedem Schenkelkern die Magnetisierung J infolge der Durchflutung nidurch eine gleich große Gegenmagnetisierung

J 2

die insgesamt von den übrigen Schenkelkernen ausgeht, kompensiert wird, wobei alle Schenkelkernwicklungen einen etwa gleichen (differentieüen) Wechselstromwiderstand bilden. Dabei kann der Stromteilertransformator Spannung aufnehmen, beispielsweise eine Spannung Au = Udiff, die zwischen den Anfängen A der Schenkelkernwicklung 1Γ einerseits und 12' sowie 13' andererseits auftritt, wenn bei einem Wechselrichter (z. B. 21) die Ausgangsspannung von der der anderen Wechselrichter abweicht. Es werden zwei Drittel der Spannungsabweichung von der Schenkelkernwicklung aufgenommen, die mit dem die Spannungsabweichung verursachenden Wechselrichter verbunden ist, und ein Drittel jeweils von den mit den zwei anderen Wechselrichtern veroundenen Wicklungen. Dadurch wird die Spannung;;abweichung vom Verbraucher weitgehend abgehalten. Die Schenkelkernwicklungen nehmen diese Spannungen jeweils in einer Halbschwingung der Wechselrichterspannung u auf, wodurch der Schenkelkern, der dem Wechselrichter 21 zugeordnet ist, auf ]au magnetisiert wird und die zwei anderen Schenkelkerne entgegengesetzt jeweils auf —Ui]^_u magnetisiert werden. In der folgenden Halbschwingung geben die Schenkelkerne die aufgenommene Spannungs-Zeit-Fläche ab, so daß die Schenkelkerne abmagnetisiert werden. Au kann so groß werden, daß ein Schenkelkern in die Sättigung aufmagnetisiert wird (A u=A ii_s), so daß der (differentielle) Wechselstromwiderstand der Wicklung praktisch verschwindet. Dann hört auch die Erzwingung gleicher Ströme durch den Transformator auf, und es wird eine Spannungsabweichung nicht mehr vom Verbraucher ferngehalten. Wie oben schon erläutert, kann man die Größe Au_s oder die Fähigkeit zur Spannungsaufnahme des Stromteilertransformators vorgeben mit der Anzahl der Windungen der Schenkelkernwicklungen und damit also die maximale Größe der Spannungsabweichungen, die zwischen den Wechselrichtern auftreten können, bis zu der Spannungsabweichungen sich nicht auf die Verbraucherspannung auswirken (F i g. 3). Die Vorgabe der Spannungffaufnahme wird durch die Abmessungen des Mehrschenkelkerns und durch das Kernmaterial mit bestimmt.

Treten zwischen den Wechselrichtern 21, 22, 23 Spannungsabweichungen auf, die vom Transformator 1 nicht mehr voll aufgenommen werden können, beispielsweise beim Ausfallen eines Wechselrichters, dann kann bei der Anordnung nach F i g. 1 jeweils der Wechselrichte", dessen Spannung von der der übrigen Wechselrichter abweicht, mittels des entsprechend nachgeordneten Wechselschalters 41,42,43 abgetrennt, d. h. aus dem Parallelverbund abgeschaltet werden und mittels der zugeordneten Überwachungseinheit 211, 221, 231 durch ein Steuersignal stillgesetzt werden. Die Überwachungseinheit des jeweiligen Wechselrichters

spricht hierbei an, bevor der betreffende Kern gesättigt ist. Der nachgeordnete Wechselschalter wird nun von der Schaltstellung I in die Stellung II, wo die betreffende Schenkelkernwicklung kurzgeschlossen wird, umgestellt. Während der Umschaltzeit wird der betreffende Schenkelkern gesättigt. Währenddessen (t')fäWi ein Teil, nämlich der Anfang der Halbschwingungen der Wechselrichterspannung υ an den Schenkelkernwicklungen, die mit Wechselrichtern nach wie vor verbunden sind, als Spannungs-Zeit-Fläche ab, welcher Teil in der Verbraucherspannung nicht enthalten ist (F i g. 3). Dieser Teil wird mit zunehmender Anzahl der Wechselrichter kleiner, die jeweils nicht aus dem Parallelverbund abgetrennt sind. Nach beendeter Umstellung des oben erwähnten Wechselschalters 41 speisen die zwei Wechselrichter 22 und 23 in den Verbraucher über die zwei Schenkelkernwicklungen 12', 13' ein, da die Schenkelkernwicklung XY kurzgeschlossen und unwirksam ist. Dieser Zustand ist der gleiche wie bei Wechselstromversorgung eines Verbrauchers aus zwei Parallelwechselrichtern über einen Stromteilertransformator mit einem Zweischenkelkern. Der Sachverhalt geht aus F i g. 2 hervor, wo die drei Schenkelkernwicklungen 11', 12', 13' im Zick-Zack geschaltet sind, so daß der Transformator 1 streuarm ist. Hier sind die Wechselschalter 41, 42, 43 öffner, die in Schaltstellung Il geöffnet sind und wie ersichtlich angeordnet sind. In der Schaltstellung I (Anzugsstel-

K) lung) eines Öffners, z. B. der öffner 43, ist der Stromteiiertransformator 1 mit Dreischenkelkern als Stromteiler mit nur zwei wirksamen Schenkelkernen umgeschaltet, wenn der mit dem öffner in Stellung I verbundene Wechselrichter (23) außer Betrieb ist. Dies

ii ist in Fig. 2 dadurch verdeutlicht, daß die zwei Hälften der Schenkelkernwicklung 13' schwach eingezeichnet sind. Der öffner 43 verbindet die in F i g. 2 obere Hälfte der Wicklung 42 mit der unteren Hälfte der Wicklung 41.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung mit einem Stromteiler für im Gleichlauf gesteuerte, parallelbetriebene Wechselrichter zur Wechselstromversorgung eines gemeinsamen Verbrauchers, bei der eine der Anzahl der Wechselrichter gleiche Anzahl induktiver differentieller Wechselstromwiderstände aus Wicklungen mit unter sich gleichviel Windungen, die auf je einem Transformatorkern aufgebracht sind, als Stromteiler dienen, jede Wicklung am Wicklungsanfang mit je einem Wechselrichterausgang verbunden ist und die Wicklungsenden der Wicklungen miteinander und mit dem gemeinsamen Verbraucher verbunden sind, und bei der jedem Wechselrichter ein Wechselschalter mit zwei Schaltstellungen nachgeordnet ist, durch den in der ersten Schaltstellung der Wicklungsanfang einer Wicklung mit dem Ausgang des zugeordneten Wechselrichters und in der zweiten Schaltstellung mit dem Wicklungsende derselben Wicklung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese Wicklungen Schenkelkernwicklungen (H', 12', 13') eines Transformators (1) sind, die auf je einem Schenkel eines Mehrschenkelkernes aus mindestens gleichviel magnetisch parallelgeschalteten Schenkelkernen (11, 12,13) wie Wechselrichter (21,22,23) betrieben sind, aufgebracht sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schenkelkernwicklung (1Γ, 12', 13') des Mehrschenkelkerns mit einer Windungszahl (n_s) ausgelegt ist, die so groß ist, daß der sie tragende Schenkelkern (11,12, 13) bei einer vorgegebenen Spannungsaufnahme (Udur = Au) auf einen Induktionswert unterhalb der Sättigung magnetisiert wird, so daß die Zeitdauer (V) zur Magnetisierung des Schenkelkerns, von diesem Induktionswert ausgehend in die Sättigung, kürzer ist als die Umschaltzeit des zugeordneten Wechselschalters (41,42,43) (Umschaltphase).