DE3020071A1

DE3020071A1 - Wechselrichter

Info

Publication number: DE3020071A1
Application number: DE19803020071
Authority: DE
Inventors: Gordon John Messer
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1979-05-30
Filing date: 1980-05-27
Publication date: 1980-12-11
Also published as: US4255783A; KR830001639B1; KR830003953A; JPS55160977A; CA1150354A; FR2458172A1; FR2458172B1; JPS6229792U; GB2051507A; GB2051507B; NL8003155A

Description

PATENTANWÄLTE 1020071

MENGES & PRAHL ^'

Zugelassene Vertreter vor dem Europäischen Patentamt Professional representatives before the European Patent Office

Erhardtstrasse 12, D-8000 München 5

f.

atentanwälte Menges & Prahl, Erhardtstr. 12, D-8000 München 5 Dipl.-lng. Rolf Menges

Dipl.-Chem. Dn Horst Prahl

Telefon (089) 26 3847 Telex 529581 BIPATd Telegramm BIPATMüncherr

IhrZeichen/Yourref.

UnserZeichen/Ourref. U 697

Datum/Date 2 7. 5 .1 9 80

UNITED TECHNOLOGIES CORPORATION Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.

Wechselrichter

Die Erfindung bezieht sich auf Wechselrichter und betrifft insbesondere die selektive Betätigung eines Kommutierungskreises in einem selbstkommutierten Wechselrichter durch Blockieren des Betriebes des Kommutierungskreises, wenn die Hauptthyristoren aufgrund der Spannung-Strom-Phasenbeziehung der Belastung und des Schalt- oder Modulationsmusters des Wechselrichters in den Sperrzustand übergehen.

Wechselrichter sind bekanntlich Einrichtungen, die elektrische Gleichstromenergie, beispielsweise aus einer Brennstoffzelle od.dgl., in elektrische Wechselstromenergie umwandeln, die für die Verwendung durch Elektrizitätsversorgungsunternehmen oder andere Verbraucher elektrischer Energie geeignet ist. Die meisten Wechselrichter enthalten wenigstens ein Paar Hauptschaltelemente, und durch abwechselndes Betätigen jedes Schaltelements fließt elektrische Energie aus der Gleich-

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stromquelle erst in der einen und dann in der entgegengesetzten Richtung durch die Belastung und bildet eine Wechselstromgrundwelle.

Zahlreiche verschiedene Typen von Schaltvorrichtungen können in einem Wechselrichter als Schaltelement zum Verbinden der positiven und der negativen Eingangssammelschiene mit der Belastung benutzt werden. Halbleiterschalter, wie beispielsweise Thyristoren, werden in heutigen Wechselrichtern häufig verwendet, und diese Art von Vorrichtung arbeitet im wesentlichen unidirektional, so daß die Stromimpulse hoher Energie in nur einer Richtung durch sie hindurchgehen, wenn der Schalter durch ein Steuersignal eingeschaltet wird. Einige Halbleiterschalter, insbesondere diejenigen, die große Ströme führen können, wie Thyristoren, werden beim Verschwinden des Steuersignals nicht sofort aus einem leitenden Zustand in einen nichtleitenden Zustand übergehen, sondern es ist erforderlich, daß der durch sie_fließende Augenblicksstrom auf nahezu null verringert wird, manchmal in^Verbindung mit einer Sperrvorspannung, damit die Thyristoren in ihren Abschaltzustand übergehen können. Der Prozeß, durch den der Strom auf null verringert wird, wird als "Kommutierung" bezeichnet, und es sind für diese Funktion zahlreiche Schaltungsanordnungen vorgeschlagen worden,_die Energie speichern und dann wieder freigeben. In vielen Kommutierungskreisen wird der Strom in dem Festkörperschalter aus einer Speichereinrichtung, wie beispielsweise einem Kondensator oder einem Schwingkreis, für eine Zeit ersetzt,· die größer als die Freiwerdezeit des Halbleiter schalters ist. Während dieser Periode wird der Belastungsstrom durch die Speichereinrichtung geliefert und die Größe des durch den Thyristor fließenden Stroms fällt für eine ausreichende Zeitspanne auf null, damit der Thyristor in den nichtleitenden Zustand übergehen kann.

Es ist bei Wechselrichtern allgemein erkannt worden, daß es erwünscht ist, die umformung zwischen elektrischer Gleichstromenergie und elektrischer Wechselstromenergie so wirksam wie

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möglich zu machen, und zwar aus den bekannten Gründen des Energieverbrauches, der Kosteneinsparung, usw. Eine Methode zum Verbessern des Wechselrichterwirkungsgrades besteht darin, die Größe des Kommutierungsstromimpulses genau dem Augenblickswert des zu löschenden Stroms anzupassen. Es ist bekannt, daß sich die erforderliche Größe eines Kommutierungsimpulses direkt mit der Größe des Belastungstroms ändert und daß eine Wirkungsgradverbesserungstechnik darin besteht, die in dem Kommutierungskreis pro Zyklus gespeicherte Energie in Abhängigkeit von der Belastung zu verringern.

Eine Wirkungsgradverbesserungsvariahte ist in einer weiteren Patentanmeldung der Anmelderin beschrieben, für die die Priorität der US-Patentanmeldung, Serial No. 973 339, vom 26.Dezember 1978 in Anspruch genommen worden ist. Die darin beschriebene Schaltung enthält einen Hilfskommutierungskreis des im-^ „ pulskommutierten Brückenwechselrichtertyps, in welchem zusätzliche Kommutierungsenergie in einem Paar entgegengesetzt aufgeladener Kondensatoren gespeichert wird. Statt der Betätigung bei jedem Zyklus sind Schalter in Reihe mit den aufgeladenen Kondensatoren nur auf einen abgefühlten Überstromzustand hin betätigbar, um die zusätzliche gespeicherte Energie für die Kommutierung zu liefern.

Noch eine weitere Energieeinsparungsvariante von Interesse bildet den Gegenstand noch einer weiteren Patentanmeldung der Anmelderin, für die die Priorität der US-Patentanmeldung, Serial No. 972 543, vom 22.Dezember 1978 in Anspruch genommen worden ist. Es wird dabei eine Steuerschaltung mit einem Hilfskommutieirungskreis eines Wechselrichters benutzt, die auf die sich aus der zusätzlichen Kapazität ergebende größere Zeitspanne anspricht und die Einleitung des Zusatzimpulses (make up pulse) erstreckt. Das gestattet einen natürlichen Abfall des Kommutierungsimpulses, so daß der Zusatzimpuls beginnt, wenn der Augenblickswert des durch den Thyristor fließenden Stroms niedrig ist.

Noch eine weitere Wirkungsgradverbesserungstechnik ist in der

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US-PS 3 391 328 beschrieben. Gemäß dieser Patentschrift wird ein Kommutierungsstrom auf die Größe beschränkt, die sich dem Wert nähert, welcher zur sicheren Kommutierung erforderlich ist, wodurch die Stromvergeudung minimiert und der Wirkungsgrad erhöht w_rd.

In allen vorstehend beschriebenen Fällen wird ein Kommutierungskreis benutzt, der auf einer pro-Zyklus-Basis wirksam gemacht wird/ um den Belastungsstrom in dem Thyristor, der kom-"-mutiert wird, im wesentlichen zu löschen, ungeachtet dessen, ob ein Kommutierungsstrom tatsächlich benötigt wird. Demgemäß wird jedesmal dann, wenn der Kommutierungskreis getriggert wird, ein Teil der Energie aus der Quelle durch Speichern und Entladen eines Teils dieser Energie in dem Wechselrichter verbraucht, was einen Prozeß darstellt, der den Wechselrichterwirkungsgrad verringert.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Kommutierungskreis für einen Wechselrichter zu schaffen, der in dem gesamten Belastungsbereich wirksamer arbeitet, indem der Kommutierungskreis blokkiert wird, wenn die Hauptthyristoren allein durch Entfernen ihres Steuersignals in den nichtleitenden Zustand gebracht werden können.

Gemäß der Erfindung werden zwei Kommutierungskondensatoren auf einem stabilen Spannungswert von E. /2 gehalten, bis festgestellt worden ist, daß eine nichtunterstützte Umschaltung der Hauptthyristören nicht erfolgen kann. Zu dieser Zeit werden die Kommutierungskondensatoren auf einen Spannungswert mit einer Polarität aufgeladen, die zum Löschen des Stroms in den Hauptthyristoren geeignet ist. Die Kommutierungskondensatoren werden dann wieder auf den stabilen Spannungswert E. /2 gebracht, bis festgestellt worden ist, daß ein weiterer Kommutierungsimpuls benötigt wird.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird die normale Reihenfolge

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des Kommutierungszustandsxmpulses umgekehrt, so daß der Zusatzimpuls unmittelbar vor einem Kommutierungsimpuls erscheint, was dazu führt, daß die Kommutierungskondensatoren nur dann vollständig aufgeladen werden, wenn es für die Abgabe eines Stromimpulses an die Belastung während der Hauptthyristorfreiwerdezeit erforderlich ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen naher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungs

form der Erfindung mit einer dafür vorgesehenen Steuerschaltung und

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Wellen

über der Zeit in verschiedenen Punkten in der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform nach der Erfindung, in welcher ein typischer Leistungswechselrichter benutzt wird, um elektrische Gleichstromenergie in elektrische Wechselstromenergie zur Verwendung durch ein Elektrizitätsversorgungsunternehmen oder durch andere Verbraucher elektrischer Energie umzuformen. Gemäß Fig. 1 hat der Leistungswechselrichter eine negative Sammelschiene 10 und eine positive Sammelschiene 12, welche elektrische Gleichstromenergie aus einer äußeren Quelle (nicht gezeigt), wie beispielsweise einer Brennstoffzelle od.dgl., empfangen. Die Zeichnung zeigt zwar eine einzelne Halbbrücke, die zwischen die negative und die positive Sammelschiene geschaltet ist, es ist jedoch klar, daß jede Anzahl von Halbbrücken benutzt werden könnte und daß eine mehrphasige Wechselstromausgangsleistung aus mehreren Halbbrücken, die in richtiger gegenseitiger Phasenbeziehung stehen, gebildet werden kann. Zwei Haupthaibleiterschalter, nämlich ein Thyristor 14 und ein Thyristor 16, sind über Zuleitungen 18 bzw. 20 mit der negativen Eingangssammelschiene 10 bzw. mit der positiven

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Eingangssammelschiene 12 verbunden, um die elektrische Gleichstromenergie aus der Quelle umzuschalten. Eine Drossel 22 ist über eine Leitung 24 mit der Katodenseite des Thyristors 16 verbunden, während die andere Seite der Drossel 22 mit einem Ausgangsknotenpunkt 26 über eine Leitung 28 verbunden ist. In gleicher Weise ist eine Drossel 32 über eine Leitung 34 mit der Äriodenseite des Thyristors 14 verbunden, während die andere Seite der Drossel 32 über eine Leitung 36 mit dem Ausgangsknotenpunkt 26 verbunden ist. Eine Leitung 37 ist mit dem Ausgang sknotenpunkt 26 verbunden und bildet eine Ausgangsleitung für den Strom zu einer Belastung 40. Eine Diode 38 und eine Diode 39 sind zu den Thyristoren 14 bzw. 16 parallel geschaltet, um einen Pfad für einen Strom durch den Wechselrichter zu den Eingangssammelschienen zu schaffen, der entgegengesetzt zu dem gerichtet ist, den die unidirektionalen Thyristoren bilden.

Ein besonderes Merkmal der Erfindung ist, wie oben bereits kurz erwähnt, daß der Kommutierurigskreis für die Hauptthyristoren nicht jedesmal dann entweder geladen oder betätigt zu werden braucht, wenn die Thyristoren abzuschalten sind, wodurch der Wechselrichterwirkungsgrad verbessert wird. Viele Halbleiterschalter, insbesondere diejenigen, die einen hohen Strom führen können, gehen bekanntlich beim Anlegen eines geeigneten Signals an ihren Steueranschluß fast augenblicklich aus ihrem nichtleitenden Zustand in ihren leitenden Zustand über. Um jedoch einen typischen Leistungsthyristor aus seinem leitenden Zustand in seinen nichtleitenden Zustand bringen zu können, muß der Strom in dem Anode-Katode-Pfad für eine vorbestimmte Zeit, nämlich die -Freiwerdezeit, auf null verringert werden, Jbevor der Thyristor in seinen nichtleitenden Zustand übergehen kann. Ein Kommutierungskreis kann benutzt werden, um ausreichend Energie auf einer pro-Zyklus-Basis zu speichern, damit der Belastung ein Stromimpuls anstelle des durch die Halbleiterschalter gehenden Stroms zugeführt werden kann und diese dadurch in den nichtleitenden Zustand übergehen können. Jedesmal dann, wenn die Kömmutierungsschaltung betätigt wird, um diesen Kornmutierungsimpuls abzugeben, und dann wie-

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der für die nächste Betätigung entladen wird, wird jedoch elektrische Energie verbraucht, wodurch der Gesamtwirkungsgrad des Wechselrichters verringert wird.

Gemäß Fig. 1 enthält der Kommutierungskreis, der gemäß der Erfindung benutzt wird, einen Kommutierungskondensator 42 sowie einen Kommutierungskondensatör 44, die zwischen die negative Eingangssammelschiene 10 und die positive Eingangsammeischiene 12 geschaltet sind, so daß die Quellenspannung E. zu gleichen Anteilen an ihnen anliegt. Zwei Thyristoren, nämlich die GTO-Thyristoren 46 und 48, sind gegensinnig gepolt miteinander verbunden und außerdem mit einem Knotenpunkt 50 zwischen den beiden Kommutierungskondensatoren und über eine Leitung 52 mit dem Ausgangsknotenpunkt 26 verbunden. Die GTO-Thyristoren 46 und 48 sind besondere Thyristoren, die aus dem leitenden Zustand in den nichtleitenden Zustand gebracht werden können, wodurch ein in Durchlaßrichtung fließender Strom blockiert wird, indem lediglich ein geeigneter Impuls an ihre geeigneten Anschlüsse angelegt wird, der aber im allgemeinen keinen so hohen Stromnennwert wie die Hauptthyristoren hat. Diese Thyristoren werden als ausschaltbare Thyristoren oder GTO-Thyristoren (gate turn-off switches) oder als Einrasttransistoren (latching transistors) bezeichnet und sind von verschiedenen Herstellern diskreter Bauelemente erhältlich, beispielsweise von der General Electric Company und von der Westinghouse Electric Corporation. Eine Steuerelektroden- oder Auftasttreiberschaltung 51 sowie eine Steuerelektroden- oder Auftasttreiberschaltung 52 sind mit den Steueranschlüssen der GTO-Thyristoren 46 bzw. 48 verbunden, um an diese ein geeignetes Steuersignal für den Übergang der Schalter zwischen dem nichtleitenden und dem leitenden Zustand anzulegen.

Ein wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die nor-' male Reihenfolge des Kommutierungsimpulses und des Zusatzim— pulses umgekehrt wird, so daß der Zusatzimpuls bei jedem Schaltzyklus unmittelbar vor dem Kommutierungsimpuls auftritt. Das bedeutet, daß die Kommutierungskondensatoren für die Kommutierung so lange nicht aufgeladen werden, bis festgestellt wor-

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den ist, daß ein Kommutierungsimpuls benötigt wird. Während dieses Prozesses wird einer der beiden Kondensatoren, was davon abhängig ist, welcher der Hauptthyristoren in dem leitenden Zustand ist, auf einen Spannungswert von ungefähr 3E. /2 und der andere Kondensator auf ein negatives Potential E_in/2 aufgeladen, um ausreichend Energie für die Kommutierung zu speichern .i Wenn die passenden Kondensatoren in geeigneter Weise aufgeladen sind, kann von den GTO-Thyristoren der richtige betätigt werden, um einen Kommutierungsimpuls zu liefern. Unter weiterer Bezugnahme auf Fig. 1 wird nun eine Ausführungsform einer Steuerschaltung beschrieben, die in der Lage ist, die aktiven Bauelemente des Wechselrichters zn betätigen« Es ist jedoch klar, daß im Normalfall ein Steuersystem für einen herkömmlichen Leistungswechselrichter viel komplizierter als hier dargestellt wäre, so daß eine Anzahl von Ausgangswellenparametern, wie der Phasenwinkel,.die Spannungsgröße, usw. der Ausgangsleistung verändert werden können. Da j edoch die Gründe und die Überlegungen für die Verwendung von unterschiedlichen Schaltwellen für die Hauptthyristoren dem Fachmann allgemein bekannt sind und keinen Teil der Erfindung bilden, ist eine Beschreibung der Vorteile und Nachteile irgendeiner Schaltwelle hier weggelassen worden. Ein Steuerwellenoder Steuerfunktionsgenerator 60 erzeugt wenigstens ein Schaltwellenmuster, bei dem es sich im wesentlichen um ein vorgewähltes Muster handelt, das in Beziehung zu der gewünschten Grundfrequenz und dem Oberwellengehalt der Ausgangswelle steht. Der Ausgang des Wellengenerators 60 ist mit einem Auftastzuordner 62 verbunden. Der Auftastzuordner 62 bildet lediglich eine Anzahl von einzelnen Schaltsignalen aus dem Hauptschaltmuster, das von dem Wellengenerator 60 geliefert wird, wobei diese einzelnen Signale jeweils den besonderen Kenndaten des in dem Wechselrichter benutzten Thyristors angepaßt sind. Eine solche Welle wird über die Leitung 64 und über den Auftastverstärker 66 an den Steueranschluß des Hauptthyristors 16 angelegt/ während eine weitere Welle über die Leitung 68 und den Auftastverstärker 70 an den Steueranschluß des Thyri stors 14 angelegt wird. Die Auftastverstärker 66 und 70 haben

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ein zum Ansteuern der Hauptthyristoren geeignetes Ausgängssignal. Der Auftastzuordner 62 liefert außerdem Schaltsignalwellen, die den GTO-Thyristpren 46 und 48 angepaßt sind und deren Schaltzustand zur geeigneten Zeit in der Schaltfolge ändern.

Zur Bestimmung der Richtung und der Größe des Belastungsstroms in jedem bestimmten Augenblick ist ein Stromdetektor 80 zwischen dem Ausgangsknotenpunkt 26 und der Belastung 40 in der Leitung 37 angeordnet. Bei einem positiven Strom gibt der Stromdetektor 80 ein dazu proportionales Signal über eine Leitung 82 an einen Positivwertvergleicher 84 ab. In gleicher Weise bewirkt ein negativer Stromfluß, daß der Stromdetektor 80 ein dazu proportionales Signal über eine Leitung 86 an einen Negatxvwertvergleicher 88 abgibt. Durch einen Vergleich der Richtung des Stromflusses mit dem Thyristorschaltmuster kann festgestellt werden, ob eine Kommutierung erforderlich ist oder nicht. Die diese Funktion erfüllende Logikschaltungsanordnung ist weiter unten ausführlich beschrieben.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, daß die Kommutierungskondensatoren am Ende der Kommutierungsperiode auf einen stabilen Spannungswert zurückgebracht werden. Das wird erreicht, indem-der Spannungswert an den Kommutierungskondensatoren abgefühlt und dann der passende GTO-Thyristor im richtigen Moment umgeschaltet wird. Eine Vergleichsschaltung 90, deren Eingänge über eine Leitung 92 mit der negativen Eingangssammelschiene 10, über eine Leitung 94 mit dem Knotenpunkt 50 und über eine Leitung 96 mit der positiven Eingangssammelschiene 12 verbunden sind, fühlt die Spannung an dem Kondensator 42 ab, während eine Vergleichsschaltung 98, die mit denselben drei Leitungen verbunden ist, die Spannung an dem Kondensator 44 abführt. Beide Vergleichsschaltungen vergleichen jeweils die Augenblicksspannung an ihrem zugeordneten Kondensator mit dem Quelleneingangsspannungsgesamtwert E. und liefern ein Ausgangssignal, wenn diese Spannung einen vorgewählten Wert von ungefähr E_in/2 erreicht.

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Ein besonderes Merkmal der selektiven Konunutierungsschaltung nach der Erfindung ist, wie oben bereits kurz erwähnt, daß der leitende Zustand der Hauptthyristoren in der Brücke und die Richtung sowie die Größe des zu der Belastung fließenden Stroms festgestellt werden und daß diese Information dann benutzt wird, um zu entscheiden, ob die Hauptthyristoren abgeschaltet werden können, indem lediglich ihr Steuersignal abgeschaltet wird, oder ob der Kommutierungskreis benötigt' wird, um den leitenden Hauptthyristor in seinen nichtleitenden Zustand übergehen zu lassen. Für Erläuterungszwecke ist in Fig. 1 eine-einfache Logikschaltung zur Ausführung dieser Entscheidungsprozedur gezeigt. Die Arbeitsweise dieser Logikschaltung wird in Verbindung mit der des dargestellten Wechselrichters erläutert. Es ist jedoch klar, daß zahlreiche weitere Logikschaltungsanordnungen für diese Entscheidungsprozedur benutzt werden könnten, einschließlich eines geeignet programmierten Mikroprozessors od.dgl. Fig. 2 zeigt eine Anzahl· von Wellen, die die Arbeitsweise eines Wechselrichters veranschaulichen, bei dem die selektive Kommutierungstechnik nach der Erfindung angewandt wird. Die Welle 100 an der Stelle (a) in Fig. 2 ist eine typische Schaltwelle und wird von dem Schaltwellengenerator 60 an den Auftastzuordner 62 abgegeben. In bekannter Weise macht der Auftastzuordner 62 über die Auftasttreiberschaltungen 66 und 70 die Hauptthyristoren 14 und 16 abwechselnd nahe den Übergangspunkten in dem Schaltwellenmuster leitend, so daß die positive Eingangssammelschiene 12 und die negative Eingangssammelschiene 10 abwechselnd über den Aüsgangskriotenpμnkt 26 mit der Belastung 40 verbunden werden. Das ergibt einen Wechselstrom zwischen dem Wechselrichter und der Belastung, Und die Welle 102 zeigt eine der vielen möglichen Stromwellen ohne die Harmonischen, die vorhanden sein könnten/' wobei diese besondere Welle einen Zustand mit einem Leistungsfaktor darstellt, der beinahe eins beträgt. Bekanntlich wird sich die genaue Phasenbeziehung zwischen den Spannungs- und Stromwellen an dem Wechselrichterausgang höchstwahrscheinlich kontinuierlich ändern und ist hauptsächlich von der Blindkomponente.der Belastungsimpedanz abhängig.

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Die Entscheidungslogik, die in dem Selektivkommutierungskreis nach der Erfindung benutzt wird, enthält ein UND-Gatter 110, dessen Ausgang mit dem EIN-Anschluß der Auftasttreiberschaltung 51 verbunden ist, sowie ein UND-Gatter 112, dessen Ausgang mit dem AUS-Anschluß der Auftasttreiberschaltung 51 verbunden ist. Ebenso ist der Ausgang eines UND-Gatters 114 mit dem EIN-Anschluß der Auftasttreiberschaltung 52 verbunden, während der Ausgang eines UND-Gatters 116 mit dem ÄUS-Anschluß der Auftasttreiberschaltung 52 verbunden ist. Der Auftastfolgegenerator oder Auftastzuordner 62 legt ein Digitalsignal über eine Leitung 118 an das UND-Gatter 110 an, um die Einschaltpunkte in der dem GTO-Thyristor 46 zugeordneten Steuerwelle zu takten. Ebenso legt der Auftastzuordner 62 ein Digitalsignal über eine Leitung 120 an einen Eingang des UND-Gatters 112 an, um die Abschaltpunkte für den GTO-Thyristor 46 in der Schaltmusterwelle zu takten. Die Einschaltpunkte in dem Schaltmuster für den GTO-Thyristor 48 werden über eine Leitung 122 zu einem Eingang des UND-Gatters 114 getaktet, während die Abschaltübergänge einem Eingang des UND-Gatters 116 über eine Leitung 124 digital dargeboten werden. Ein Eingang des UND-Gatters 112 ist über eine Leitung 126 mit der Vergleichsschaltung 98 verbunden, während ein Eingang des UND-' Gatters 116 über eine Leitung 128 mit der Vergleichsschaltung 90 verbpnden ist, um eine Digitalanzeige des Spannungswertes an den Kommutierungskondensatoren zu empfangen. Ein monostabiler Multivibrator 150 gibt auf ein an der Auftasttreiberschaltung 51 anliegendes Einschaltsignal hin ein Freigabesignal an die Auftasttreiberschaltung 52 ab, während ein monostabiler Multivibrator 151 auf ein an der Auftasttreiberschaltung 52 anliegendes Einschaltsignal hin ein Freigabesignal an die Auftasttreiberschaltung 51 abgibt. Beide monostabilen Multivibratoren 150 und 151 haben eine natürliche Periode von fund liefern ein Ausgangssignal am hinteren Rand der Periode. Eine einfache digitale Logikschaltung ermittelt, ob ein Strom durch den Hauptthyristor 16 fließt oder nicht, wenn dieser in seinem leitenden Zustand ist. Der Positivwertvergleicher 84 liefert ein digitales Ausgangssignal, das einen positiven Strom zu der Belastung anzeigt. Dieses Signal wird, verzögert

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um eine Zeitspanne Γ in der Verzögerungseinheit 130, über eine Leitung 132 an einen Eingang eines UND-Gatters 134 angelegt. Der andere Eingang des UND-Gatters 134 ist über eine Leitung 136 mit dem Auftastfolgegenerator 62 verbunden, um die Auftastsignalwelle des Hauptthyristors 16 zu empfangen, die im wesentlichen angibt, daß der Thyristor während einer besonderen Zeitspanne eingeschaltet ist, so daß ein Belastungsstrom durch ihn hindurchfließen kann. Wenn beide Zustände existieren, fließt ein Belastungsstrom durch den Hauptthyristor 16, und das UND-Gatter 134 gibt ein das anzeigendes Signal an einen Anschluß des UND-Gatters 110 über die Leitung ab. Demgemäß kann das UND-Gatter 110 freigegeben werden, um die Auftasttreiberschaltung 51 bei der Ankunft des Schaltpunktsignals aus dem Auftastzuordner 62 zu betätigen.

In gleicher Weise wird durch ein Digitalsignal aus dem Negativwertvergleicher 88, verzögert um eine Zeitspanne in der Verzögerungseinheit 140, ermittelt, ob ein Strom durch den Thyristor 14 fließt oder nicht. Dieses Signal wird an einen Eingang des UND-Gatters 142 angelegt, während der andere Eingang dieses UND-Gatters ein Signal aus dem Auftastzuordner 62 über eine Leitung 144 empfängt, das angibt, ob der Hauptthyristor 14 in seinen EIN-Zustand aufgetastet worden ist. Das Ausgangssignal des UND-Gatters 142 wird Über eine Leitung 146 an einen Eingang des UND-Gatters 114 angelegt, um vor allem anzuzeigen, wann der Belastungsstrom durch den Hauptthyristor 14 fließt.

Gemäß der Erfindung wird, wie oben dargelegt, abgefühlt, wann die Phasenbeziehung zwischen der Spannungswelle in dem Wechselrichter und der Belastungsstromwelle so ist, daß der abzuschaltende Thyristor in den nichtleitenden Zustand gebracht werden kann, indem lediglich das Steuersignal entfernt wird. Gemäß Fig. 2 fließt zur Zeit t_Q der Belastungsstrom, Welle 102, in einer negativen Richtung oder von der Belastung 40 zu dem Ausgangsknotenpunkt 26. Der Thyristor 16 ist zu dieser Zeit in seinem leitenden Zustand, und zwar aufgrund des Anliegens des

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zu der Welle 103 in Beziehung stehenden Steuersignals (Darstellung (b) in Fig. 2) an seinem Steueranschluß. Die Hilfskondensatoren 42 und 44 sind auf einem Spannungswert von +E. /2, und ein Signal, welches dasselbe anzeigt, wird durch die Vergleichsschaltungen 90 und 98 an die UND-Gatter 1.16 \. bzw. 112 angelegt.

Zur Zeit t.. - X ist zu erkennen, daß der Augenblickswert des Stroms noch in der negativen Richtung ist und somit der Strom noch über den Pfad fließt, welcher die Diode 39 enthält, und nicht durch den Hauptthyristor 16, obgleich dieser in seinem leitenden Zustand ist. Das UND-Gatter 134 ist blockiert, ebenso wie das UND-Gatter 110, was verhindert, daß ein digitales Einschaltsignal die Auftasttreiberschaltung 51 erreicht, so daß der Kommutierungskreis an diesem besonderen Schaltpunkt t₁ nicht betätigt wird, was die Darstellung (d)und die Darstellung (e)in Fig. 2 zeigen.

Gemäß einem besonderen Merkmal der Erfindung werden die Kommutierungskondensatoren auf einem stabilen Spannungswert +E. /2 gehalten, bis sie für die Kommutierung benötigt werden. Wenn an irgendeinem Schaltpunkt, der durch die Schaltwelle aus dem Wellengenerator 60 angegeben wird, der leitende Thyristor die Unterstützung eines Kommutierungsimpulses für den übergang in den nichtleitenden Zustand benötigt, werden die Hilfskondensatoren durch einen Zusatzimpuls vor diesem Schaltpunkt geeignet aufgeladen, so daß sie den benötigten Kommutierungsimpuls liefern können. Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 wird nun die Konditionierung der Kommutierungskondensatoren an einem der Übergänge, die die Betätigung des Hilfskommutierungskreises erfordern, beschrieben, und zwar für den übergang tg. Gemäß der Darstellung (a) in Fig. 2 ist unmittelbar vor dem Übergang t_ß der Strom positiv oder fließt von dem Ausgangsknotenpunkt 26 zu der Belastung 40, wobei dieser Strom über den Pfad geliefert wird, der den Thyristor 16 enthält, welcher in seinem leitenden Zustand ist. Das Digitalsignal aus dem Positivwertvergleicher 84, das den.positiven Strom angibt, und das Steuersignal an dem Thyristor 16 ge-

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ben das UND-Gatter 134 frei, dessen Ausgangssignal dadurch an einen Eingang des UND-Gatters 110 angelegt wird. Das andere Eingangssignal des UND-Gatters 110 wird mit dem Übergangssignal aus dem Auftastzuordner 62 geliefert, wobei sowohl das UND-Gatter 110 als auch die Auftasttreiberschaltung 51 freigegeben werden (Welle 105 in der Darstellung (d)), was bewirkt, daß der GTO-Thyristor 46 sofort eingeschaltet wird. Der Kommutierungskondensator 44, der am Anfang auf einen Wert von tE. /2 ist (Welle 108 der Darstellung (g)), entlädt sich über den leitenden Thyristor 16 und den GTO-Thyristor 46, wobei er sich auf einen Spannungswert von -E. /2 ■auflädt. Ebenso; ladt sich der Kondensator 42, der am Anfang auf einem Wert von +E_irt/2 ist (Welle 107 der Darstellung (f)), auf einen Spannungswert von +3E. /2 auf, so daß zur Zeit t_g die Kondensatoren ausreichend Energie gespeichert haben, um den durch den Haüptthyristor 16 fließenden Belastungsstrom zu kommutieren. "'Gleichzeitig ändern sich die Digitalsignale aus den Vergleichsschaltungen 90 und 98, wenn die Kondensatoren 42 und 44 von ihren stabilen -Spannungswerten von +E. /2 auf die Kommutierühgsv/efte übergehen. Zur Zeit t_g sind die Kommutierungskohdensatoren 42 und 44 für die Kommutierung ausreichend auf geladen worden und der monostabile Multivibrator 150, der eine natürliche Periode von % hat und ein Ausgangssignal an seiner Hinterflanke liefert, gibt ein Signal an den EIN-Anschluß der Auftasttreiberschaltung 52 ab, um den GTO-Thyristor 48 in seinen leitenden Zustand zu triggern. Ein Kommutierungsimpuls 109, den die Darstellung (h) in Fig. 2 zeigt, geht zu dem Äusgangsknotenpunkt 26 und ersetzt den über den Hauptthyristor 16 zu der Belastung 40 fließenden Strom. Da das Freigabesignal von dem Steueranschluß des Thyristors 16 durch den Auftastzuordner 62 entfernt worden ist, geht der Hauptthyristor 16 in seinen nichtleitenden Zustand über.

Ein besonderes Merkmal der Erfindung ist, daß nach der Kommutierung die Hilfskondensatoren auf ihre stabilen Spannungswerte von H-E. /2 zurückgebracht werden, so daß sie von diesem Potential aus unmittelbar vor der nächsten erforderlichen Kornmutierung inder zuvor beschriebenen Weise geeignet aufgeladen

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werden können. Es sei angemerkt, daß in Verbindung mit. der vorstehend beschriebenen Kommutierung zur Zeit t_g, wenn der GTO-Thyristor 48 in einem leitenden Zustand bleiben soll, nachdem der Hauptthyristor 14 eingeschaltet ist, ein Pfad gebildet wird, der den Kondensator 42 unter seinen stabilen Wert von +E. /2 entlädt. Demgemäß bringt die Steuerschaltung nach der Erfindung den GTO-Thyristor 48 bei dem stabilen Potentialwert in seinen nichtleitenden Zustand, um sicherzustellen, daß sich der Kondensator 42 nicht unter seine stabilen Werte entlädt. Wenn die Spannungswerte an den Kondensatoren 42 und 44 ihren stabilen Wert von +E. /2 zur Zeit t_g + T erreichen, empfängt das UND-Gatter 116 ein Signal an einem Eingang über die Leitung 124, um den GTO-Thyristor 48 in seinen nichtleitenden Zustand umzuschalten. Wenn jedoch der Kondensator 42 nicht auf seinen stabilen Wert von +E. /2 zurückgekehrt ist, wird die Vergleichsschaltung 90 das nicht anzeigen, und das UND-Gatter·wird nicht freigegeben, bis der Spannungswert an dem Kondensator 42 seinen stabilen Wert erreicht hat. Dann, wenn der Kondensator 42 seinen stabilen Wert erreicht, wird das UND-Gatter 116 freigegeben, und die Auftasttreiberschaltung 52 schaltet den GTO-Thyristor 48 durch einen Impuls „ab.

Darübefhinaus ist klar, daß es eine Vielzahl von Schaltmustern gibt, die in Verbindung mit der Erfindung benutzt werden könnten, und daß die Anzahl von Betätigungen , die selektiv eliminiert werden, von der genauen Phasenbeziehung zwischen den Spannungs- und Stromwellen abhängig ist. Beispielsweise ist das spezifische Schaltmuster, das in Fig. 2 durch die Kurve 100 dargestellt ist, ein 180°-Hertz-Schaltmuster, in welchem es sechs Übergänge pro Zyklus gibt. Wenn jeder Übergang die Betätigung des Kommutierungskreises beinhalten soll, gibt es zwölf kommutierungsbezogene Impulse innerhalb des Wechselrichters, sechs Zusatzimpulse und sechs Kommutierungsimpulse, die den Wechselrichtergesamtwirkungsgrad verringern. Für die gezeigten Schalt- und Stromwellen ist es möglich, acht der zwölf Impulse unter Verwendung der Lehre und der Technik der Erfindung zu eliminieren. Ange-

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sichts der Tatsache, daß die Phasenbeziehung in Fig. 2
für einen Leistungsfaktor von nahezu eins dargestellt ist, wird die genaue Anzahl der Impulse, die pro Belastungsstromzyklus eingespart werden, von dem durch die Belastung und das Schaltmuster festgelegten Leistungsfaktor abhängig sein.

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Claims

Patentansprüche ;

( 1,j Wechselrichter mit zwei Eingangssammelschienen, über die er elektrische Energie aus einer Gleichstromquelle empfängt zur Umformung in elektrische Wechselstromenergie an einem Ausgangsknotenpunkt ,

gekennzeichnet durch eine Hauptschalteinrichtung, die auf eine Steuerwelle anspricht, um abwechselnd jede Eingangssammelschiene mit dem Ausgangsknotenpunkt zu verbinden, wobei die Schälteinrichtung nicht in den nichtleitenden Zustand gebracht werden kann, sofern nicht ein minimaler Strom durch sie fließt, ■ , .

durch eine Kommutierungseinrichtung zum Speichern von elektrischer Energie und zum Abgeben eines Energieimpulses .an den Ausgangsknotenpunkt auf die Steuerwelle hin, so daß die Schalteinrichtung in den nichtleitenden Zustand übergehen kann, und .

durch eine Einrichtung zum Blockieren der Kommutierungseinriehtung in dem Fall, in welchem die Halbleiterschalteinrichtung ohne Unterstützung in den nichtleitenden Zustand übergehen kann.

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2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Eingangssammelschiene negative elektrische Energie und die andere Eingangssammelschiene positive elektrische Energie empfängt, daß die Schalteinrichtung zwei Hauptleistungsthyristoren enthält, die jeweils zwischen den Ausgangsknotenpunkt und eine der Eingangssammeischienen geschaltet sind, daß die Steuerwelle zum abwechselnden Verbinden der negativen und der positiven Eingangssammelschiene mit dem Ausgangsknotenpunkt eine vorgewählte Welle aus einem Wellengenerator ist und daß die Kommutierungseinrichtung eine Kommutierungsschalteinrichtung enthält, die durch die Steuerwelle aus dem Wellengenerator freigegeben werden kann.
3. Wechselrichter nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Logikschaltung, die einen Stromdetektor enthält, der so angeordnet ist, daß er die Richtung des Stromflusses aus dem Wechselrichter abfühlt, und verhindert, daß -die Steuerwelle aus dem Wellengenerator die Kommutierungsschalteinrichtung in dem Fall betätigt, in welchem kein Belastungsstrom durch die Haüptschalteinrichtung fließt, wenn die Hauptschalteinrichtung gemäß der Steuerwelle in den nichtleitenden Zustand gebracht werden soll.
4. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierungseinrichtung zwei Kommutierungskondensatoren enthält, die zwischen die Eingangssammelschienen geschaltet sind, wobei das Potential an den beiden Kondensatoren während des Betriebes des Wechselrichters auf einen stabilen Wert gehalten wird und wobei die Kondensatoren auf einen für die Kommutierung der Hauptschalteinrichtung, wenn erforderlich, geeigneten Wert unmittelbar vor einem Kommutierungspunkt aufgeladen und nach dem Kommutierungspunkt auf den stabilen Spannungswert zurückgebracht werden.
5. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierungseinrichtung weiter zwei unidirektionale Schalter enthält, die gegensinnig gepolt zwischen die Kommutierungskondensatoren und den Ausgangskno-

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tenpunkt geschaltet sind,und daß eine Vergleichseinrichtung vorgesehen ist, die die Spannung an den beiden Kommutierungskondensatoren abfühlt und bewirkt, daß die unidirektionalen Schalter am Ende der Kommutierungsperiode abgeschaltet werden, so daß die beiden Kommutierungskondensatoren auf ihren stabilen Spannungswert zurückgebracht werden.
6. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierungseinrichtung zwei Kommutierungskondensatoren enthält, auf denen durch einen Zusatzimpuls Energie für die Kommutierung gespeichert wird, und daß die beiden Kommutierungskondensatoren gemäß der Steuerwelle entladen werden, um einen Kommutierungsimpuls zu erzeugen, der gestattet, daß die Hauptschalteinrichtung in den nichtleitenden Zustand übergeht.
7. Wechselrichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierungseinrichtung weiter zwei Kommutierungsschalter enthält, die zwischen die beiden Kommutierungskondensatoren und den Äusgangsknotenpunkt geschaltet sind, und daß die Kommutierung, wenn erforderlich, der Hauptschalteinrichtung gemäß der Steuerwelle dazu führt, daß einer der Kommutierungsschalter unmittelbar vor der Kommutierungsperiode betätigt wird, damit der Zusatzimpuls zum Aufladen der beiden Kommutierungskondensatoren erzeugt wird, und daß der andere der beiden Kommutierungsschalter an dem Kommutierungspunkt freigegeben wird, um einen Kommutierungsimpuls zu erzeugen, der der Hauptschalteinrichtung gestattet, in den nichtleitenden Zustand überzugehen .

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