DE3602496C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wechselrichteranordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 2. Eine Wechselrichteranordnung dieser Art ist aus der DE-AS 29 04 786 bekannt.

Es gibt Anwendungsbereiche, bei denen man Wechselrichter hoher Leistung (50 kVA und mehr) benötigt, die hohen dynamischen Anforderungen genügen. Als bevorzugtes Beispiel für derartige Anwendungsbereiche seien statische unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlagen genannt, die dort eingesetzt werden, wo selbst kurzzeitige Netzunterbrechungen oder andere Netzstörungen zum Ausfall oder zur Fehlfunktion wichtiger Anlagen führen können.

Thyristorwechselrichter lassen sich heute für sehr hohe Leistungen herstellen. Schwierigkeiten bereitet es bei ihnen aber, mit vertretbarem Aufwand für die Steuerelektronik das beispielsweise für unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlagen erforderliche dynamische Verhalten zu erzielen. In den letzten Jahren hat man daher zunehmend auf inzwischen entwickelte Leistungstransistoren als Ventile für derartige Wechselrichter zurückgegriffen. Es stehen heute Leistungstransistoren zur Verfügung, die Ströme bis zu 300 Ampere schalten können. Dabei lassen sich mit diesen Leistungstransistoren ohne größeren Aufwand höhere Schaltfrequenzen als mit Thyristoren erzielen, so daß man mit Leistungstransistoren heute Wechselrichter bis zu 15 kVA (einphasig) herstellen kann, die hohen Anforderungen an das dynamische Verhalten genügen. Für manchen Anwendungsfall reicht diese Leistung nicht aus, so daß nach Wegen gesucht wurde, mit den dynamisch hervorragenden Transistorwechselrichtern höhere Leistungen zu erreichen.

Aus der Druckschrift IEEE Transactions On Industry Applications, Band IA-20, Nr. 4, Juli/August 1984, Seiten 961 bis 966, ist eine Wechselrichteranordnung mit Leistungstransistoren für den Einsatz in unterbrechungsfreien Stromversorgungsanlagen bekannt, die eine Ausgangsleistung von bis zu 100 kVA besitzt. Der Leistungsteil dieser Wechselrichteranordnung enthält zwei 3-Phasen-Brückenschaltungen, die mit einer Phasendifferenz von 30° betrieben werden, eingangsseitig parallel an eine Gleichstromquelle angeschlossen sind und ausgangsseitig je einen gesonderten Ausgangstransformator speisen. Die Sekundärwicklungen der Ausgangstransformatoren, von denen die des einen in Sternschaltung und die des anderen in Zickzackschaltung ausgebildet sind, sind in Reihe geschaltet. Zur Erzielung der hohen Leistungen sind bei dieser bekannten Wechselrichteranordnung bis zu sechs Leistungstransistoren zur Bildung eines Ventils parallelgeschaltet. Eine solche Parallelschaltung von Transistoren setzt eine statische und dynamische Stromgleichverteilung auf alle Transistoren voraus. Damit dies erreicht werden kann, müssen nicht nur besondere schaltungstechnische Maßnahmen bezüglich Anordnung und Verdrahtung der Transistoren getroffen werden, vor allem müssen die Transistoren auch so ausgesucht werden, so daß die parallelgeschalteten Transistoren übereinstimmende Kenndaten besitzen. Der damit verbundene Aufwand führt zu enormen Herstellungskosten. Darüber hinaus muß im Fall des Versagens eines der Transistoren praktisch immer die gesamte Parallelschaltung ausgewechselt werden.

Es ist ferner bekannt, zur Erhöhung der mit Transistorwechselrichtern erzielbaren Leistung die Sekundärwicklungen von zwei oder mehr unabhängig voneinander betriebenen Wechselrichtergeräten über Ausgleichsdrosseln parallelzuschalten. Durch stets vorhandene Unsymmetrien im Steuerungs- und Leistungsteil der Wechselrichtergeräte kann bei diesem bekannten Parallelbetrieb eine vollständige symmetrische Lastaufteilung nicht erreicht werden. Deshalb muß eine Minderausnutzung der an sich verfügbaren Wechselrichterleistung in Kauf genommen werden.

Beim Stand der Technik der schon erwähnten DE-AS 29 04 186 wird zur Regelung von Spannung und Lastaufteilung der parallelgeschalteten Wechselrichter für jeden Wechselrichter eine Ersatzregelgröße gebildet, in die unter anderem das Produkt aus der Differenz zwischen einem Sollstrom und dem Iststrom des Wechselrichters und einer komplexen Impedanz eingeht, deren Wirk- und Blindanteil vorzugsweise dem Wirk- bzw. Blindanteil des Innenwiderstands des Wechselrichters entsprechen. Die mittels einer Rechenschaltung ermittelte Ersatzregelgröße liefert die Istwerte für zwei getrennte Regelkanäle, nämlich einen Phasenregelkanal und einen Betragsregelkanal. Zur Ermittlung der Ersatzregelgröße findet bei diesem Stand der Technik ein Vergleich zwischen dem Stromistwert des jeweiligen Wechselrichters und dem zugehörigen Stromsollwert statt. Der Stromsollwert für die einzelnen Wechselrichter wird aus dem Summenstrom durch Multiplikation mit einem Anteilsfaktor gewonnen, der dem zugewiesenen Lastanteil des jeweiligen Wechselrichters entspricht. Die Bildung der Ersatzregelgröße und damit auch der Stromsoll-Ist-Vergleich findet für alle der n Wechselrichter statt.

Aus der US-PS 41 14 048 sind in Verbindung mit ausgangsseitig parallelgeschalteten Wechselrichtern Lastverteilungsregler bekannt, denen die Aufgabe zukommt, für gleiche Belastung der ebenfalls parallelgeschalteten, die Wechselrichter speisenden Gleichrichter zu sorgen. Zu diesem Zweck wird der Ausgangsstrom jedes der Gleichrichter erfaßt und der Mittelwert der Summe aller erfaßten Ausgangsströme gebildet. Der Ausgangsstrom jedes einzelnen Gleichrichters wird mit dem Mittelwert verglichen und eine etwaige Abweichung zur Steuerung eines dem Gleichrichter zugeordneten Spannungsreglers verwendet.

Aus der DE-AS 14 63 336 ist eine Wechselrichteranlage mit zwei eingangs- und ausgangsseitig parallelgeschalteten Wechselrichtergeräten bekannt. Jedes dieser Wechselrichtergeräte stellt einen sogenannten Blockspannungswechselrichter dar, der zwei gegeneinander phasenverschobene Rechteck- Ausgangsspannungen erzeugt, die einander überlagert werden. Die Spannungsregelung bei dieser Art Wechselrichter erfolgt durch Einstellung der Phasenverschiebung zwischen den beiden Rechteck-Ausgangsspannungen. Bei den parallelgeschalteten Wechselrichtergeräten sind zusätzlich Phasenvergleichsglieder vorgesehen, die einen Vergleichswert zwischen den an zugeordneten Wechselrichtereinheiten der beiden Wechselrichtergeräte anliegenden Zündimpulsen herstellen und damit den Zündimpulsgeber beeinflussen. Bei diesem Stand der Technik ist weder eine Stromregleung noch ein Phasenvergleich im Zuge einer Stromregleung vorgesehen.

Die DE-AS 22 31 152 beschreibt eine Weiterbildung des aus der genannten DE-AS 14 63 336 bekannten Standes der Technik zur Erzielung des Gleichlaufs von mindestens drei derartigen im Parallelbetrieb arbeitenden Wechselrichtergeräten. Dabei werden die Ausgangsspannungen jeweils phasengleichnamiger Wechselrichtereinheiten der Wechselrichtergeräte über Übertrager und Wechselspannungsstabilisierungsglieder auf ein zugeordnetes Phasenvergleichsglied in jedem Wechselrichtergerät gegeben. Zusätzlich wird dieses die Ist-Phasenlage der Ausgangsspannung einer jeweiligen Wechselrichtereinheit angebende Signal über einen Widerstand auf eine für die phasen-gleichnamigen Wechselrichtereinheiten gemeinsame Sammelschiene gegeben. Dieses Signal an der Sammelschiene stellt den Sollwert für die erwähnten Phasenvergleicher dar. Die von den Phasenvergleichern gegebenenfalls ermittelte Phasendifferenz steuert den Zündimpulsgeber der zugehörigen Wechselrichtereinheit. Eine Stromregelung zur Erzielung einer gleichmäßigen Lastaufteilung findet auch bei diesem Stand der Technik nicht statt.

Aus der US-PS 34 58 797 ist ein Blockspannungswechselrichter mit zwei Wechselrichtereinheiten bekannt, die gegeneinander phasenverschobene Rechteckspannungen liefern, welche hier mit Hilfe eines zwei Primärwicklungen und eine gemeinsame Sekundärwicklung aufweisenden Ausgangstransformators addiert werden. In der Druckschrift ist angegeben, daß mit Hilfe eines die Sekundärspannung erfassenden Spannungsfühlers und eines den Laststrom erfassenden Stromfühlers eine Spannungsregelung und/oder eine Stromregelung- oder -begrenzung erfolgen könne. Da bei dieser Art Wechselrichter durch die Überlagerung der von den beiden Wechselrichtereinheiten erzeugten Ausgangsspannungen und die Beeinflussung ihrer Phasendifferenz eine Veränderung der Ausgangsspannung überhaupt erst möglich wird, dienen Spannungs- und gegebenenfalls Stromregelung hier nicht dazu, die Lastaufteilung zwischen den beiden Wechselrichtereinheiten zu beeinflussen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wechselrichteranordnung zum Parallelbetrieb von Wechselrichtern zu schaffen, die bei geringem Aufwand eine vollständig symmetrische Lastaufteilung auf die einzelnen Wechselrichter erlaubt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Wechselrichteranordnung gemäß dem Patentanspruch 1 bzw. 2 gelöst.

Eine direkte Parallelschaltung der Ausgangsklemmen der Brückenschaltungen von mehreren Wechselrichtern setzt voraus, daß diese Brückenschaltungen eingangsseitig von gesonderten Gleichstromquellen gespeist werden, die potentialmäßig voneinander unabhängig sind. Steht dagegen für die Gleichstromspeisung der Wechselrichterbrückenschaltungen nur eine gemeinsame Gleichstromquelle oder stehen potentialmäßig verbundene Gleichstromquellen zur Verfügung, dann ist ausgangsseitig eine Potentialtrennung erforderlich, das heißt die Ausgangsströme der Wechselrichter können nicht direkt durch Parallelschaltung der Ausgangsklemmen der Brückenschaltungen addiert werden. In diesem letzteren Fall wird daher eine indirekte Addition der Ausgangsströme gewählt. Hierzu besitzt jeder der parallel zu betreibenden Wechselrichter einen gesonderten Ausgangstransformator, wobei die Sekundärwicklungen dieser Ausgangstransformatoren parallelgeschaltet sind. Alternativ speist jeder der parallel zu betreibenden Wechselrichter eine gesonderte von einer entsprechenden Anzahl von Primärwicklungen eines gemeinsamen Ausgangstransformators, was zu einer Addition der Durchflutungen führt. Die Verwendung eines einzigen Ausgangstransformators für alle Wechselrichter bietet außer dem Vorteil, daß der billiger als jeweils gesonderte Ausgangstransformatoren für alle Wechselrichter ist, noch einen besonderen Vorteil, auf den später näher eingegangen wird.

Unabhängig davon, ob die Ausgangsströme der Wechselrichter direkt oder indirekt addiert werden, setzt die zur Erzielung einer symmetrischen Lastaufteilung notwendige Vermeidung von Ausgleichsströmen zwischen den Wechselrichtern gleiche Ausgangsspannung voraus. Da der Lastkreis jedes der parallel zu betreibenden Wechselrichter sehr niederohmig ist, erweist sich die Regelung der Ausgangsspannungen der einzelnen Wechselrichter bei wirtschaftlich vertretbarem Aufwand als problematisch, weil bereits Regelabweichungen im Genauigkeitsbereich der Istwerterfassung zu sehr hohen Stromänderungen führen würden. Die beanspruchte Erfindung löst deshalb das Problem der gleichmäßigen Lastaufteilung auf die parallel betriebenen Wechselrichter durch Regelung von deren Ausgangsströmen. Wenn bei n parallel betriebenen Wechselrichtern die Ausgangsströme von (n-1) dieser Wechselrichter so geregelt werden, daß sie jeweils die gleiche Phasenlage wie der Summenstrom aus den Ausgangsströmen aller n Wechselrichter aufweisen und ihr Betrag jeweils ein n-tel des Betrags des Summenstroms ist, dann ist gewährleistet, daß keine Ausgleichsströme zwischen den Wechselrichtern fließen, sondern alle Wechselrichter gleichen Anteil am Laststrom haben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch ein Schaltbild einer Wechselrichteranordnung mit drei parallel betriebenen Wechselrichtern und

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild und ein Zeigerdiagramm zur Erläuterung des zugrundeliegenden Prinzips.

Die in Fig. 1 dargestellte Wechselrichteranordnung enthält drei Wechselrichter WR 1, WR 2 und WR 3.

Die beschriebene Wechselrichteranordnung eignet sich grundsätzlich für eine beliebige Anzahl n von parallel zu betreibenden Wechselrichtern, und für die in Fig. 1 dargestellte und nachfolgend beschriebene Anordnung ist lediglich beispielshalber der Fall n = 3 gewählt. Die Wechselrichter WR 1 bis WR 3 weisen untereinander den gleichen Aufbau auf, so daß es ausreicht, den Wechselrichter WR 1 stellvertretend für alle zu beschreiben. Er enthält in seinem Leistungsteil eine vollgesteuerte 1-Phasen-Brückenschaltung des üblichen und daher hier nicht im einzelnen dargestellten Aufbaus. Als Ventile sind in dieser Brückenschaltung handelsübliche 300 A Darlington-Transistormodule mit integrierten Rückarbeitsdioden eingesetzt. Es sei an dieser Stelle hervorgehoben, daß das hier beschriebene Verfahren und die beschriebene Wechselrichteranordnung aus den eingangs genannten Gründen insbesondere für die schnellschaltenden, aber in ihrer Leistung begrenzten Leistungstransistoren geeignet sind. Dessen ungeachtet lassen sich Verfahren und Anordnung aber auch bei Wechselrichtern einsetzen, deren Brückenschaltungen nicht Leistungstransistoren sondern Thyristoren, GTOs oder andere Schalterelemente als Ventile aufweisen.

Die Brückenschaltung B 1 ist eingangsseitig an eine Gleichstromquelle in Form einer Batterie, eines netzgespeisten Gleichrichters oder dergleichen angeschlossen, was in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Ausgangsseitig ist die Brückenschaltung B 1 über eine Filterinduktivität L 1 mit einer Primärwicklung Pw 1 eines Ausgangstransformators Tr verbunden. Die Primärwicklungen Pw 1, Pw 2 und Pw 3 sind mit gleichen Windungszahlen ausgeführt, so daß für alle dasselbe Übersetzungsverhältnis ü (ü = Primärwindungszahl: Sekundärwindungszahl gilt). Die Filterinduktivität L 1 kann unter Umständen entfallen, wenn die Streuinduktivität des Ausgangstransformators Tr ausreichend groß ist. Die Sekundärwicklung Sw des Ausgangstransformators Tr ist an die Ausgangsklemmen 1, 2 der Wechselrichteranordnung angeschlossen. Parallel zu den Ausgangsklemmen 1, 2 liegt ein Filterkondensator C, der in Verbindung mit der Filterinduktivität L 1 die Ausgangsspannung glättet. Der Ausgangstransformator Tr ist so ausgelegt, daß seine Hauptinduktivität den Grundschwingungsanteil des Stroms durch den Filterkondensator C liefert.

Der Wechselrichter WR 1 enthält einen Spannungsregler CV 1, der mit Differenz zwischen einem Spannungssollsignal u₁* und einem Spannungsistsignal u _c beaufschlagt wird. Das Spannungsistsignal wird mittels eines Trennverstärkers 3 von den Ausgangsklemmen 1, 2 abgenommen, entspricht also der Klemmspannung u _a des Filterkondensators C, nicht der Ausgangsspannung des Wechselrichters WR 1. Mittels einer Strommeßstelle 4 wird ein dem Kondensatorstrom durch den Filterkondensator C entsprechendes Signal i _c erfaßt und als zusätzliches Rückkopplungssignal mittels eines Addierers 5 vom Ausgangssignal des Spannungsreglers CV 1 subtrahiert. Da der Kondensatorstrom die Ableitung der Ausgangsspannung u _a ist, wird durch diese Rückkopplung eine Verbesserung der Dynamik erreicht. Außerdem unterdrückt diese Rückkopplung die Schwingungsfähigkeit des aus der Hauptinduktivität des Ausgangstransformators Tr und dem Filterkondensator C gebildeten Resonanzkreises. Von dem Ausgangssignal des Addierers 5 wird mittels eines Addierers 6 ein Dreiecksignal von einem Dreieckgenerator CG 1 subtrahiert und die Differenz mittels eines Komparators 7 in eine pulsbreitenmodulierte Rechteckspannung für die Steuerung der Leistungstransistoren der Brückenschaltung B 1 umgesetzt. Die Brückenschaltung arbeitet im Dreipunktbetrieb mit einer Taktfrequenz f _T von 1 kHz, wenn das Dreiecksignal eine Frequenz von 2 kHz besitzt. Wenn eine Phasenverschiebung der Dreiecksignale der Dreieckgeneratoren der verschiedenen Wechselrichter um 120° (bei n Wechselrichtern um 360°/n) vorgesehen wird, dann verschwinden die Harmonischen der Frequenzen 2 f _T bis 2 nf _T in der Ausgangsspannung u _a . Dementsprechend erlaubt diese Maßnahme die Verwendung einfacherer Filtermittel und führt damit auch zu einer Verbesserung des dynamischen Verhaltens der Wechselrichteranordnung. Bei der hier beschriebenen Verwendung eines gemeinsamen Ausgangstransformators für alle Wechselrichter tritt der eingangs schon angedeutete zusätzliche Vorteil auf, daß sich die in der Ausgangsspannung u _a fehlenden Harmonischen bereits primärseitig aufheben und daher im Eisenkreis und in der Sekundärwicklung des Ausgangstransformators keine Verluste verursachen.

Das Spannungssollsignal für die einzelnen Wechselrichter WR 1 bis WR 3 wird auf folgende Weise gebildet. Ein Referenzsignalgenerator RS erzeugt ein sinusförmiges Referenzsignal, dessen Frequenz f₁* vorgebbar ist. Die Amplitude dieses sinusförmigen Signals wird mittels eines Multiplizierers 8 vom Ausgangssignal eines Effektivwertreglers CVe gesteuert. Der Effektivwertregler CVe ist Teil eines übergeordneten Regelkreises für die Effektivspannung, durch den der Geschwindigkeitsfehler der Spannungsregler Cvi (i = 1,2,3) kompensiert werden soll. Eine Effektiv­ wertbildungseinrichtung 9 erzeugt anhand des Ausgangssignals u _c des Trennverstärkers 3 ein dem Effektivwert der Ausgangsspannung u _a entsprechendes Signal, das mittels eines Addierers 10 von einem vorgegebenen Sollwert U* subtrahiert wird. Das Differenzausgangssignal des Addierers 10 beaufschlagt den Effektivwertregler CVe, dessen Ausgang, wie schon angegeben, mit dem Multiplizierer 8 verbunden ist.

Eine Gleichstromvormagnetisierung des Ausgangstransformators Tr sowie Gleichstromunsymmetrien zwischen den drei Wechselrichtern werden mit Hilfe gesonderter Magnetisierungsstromregler CI 1 bis CI 3 der einzelnen Wechselrichter WR 1 bis WR 3 vermieden. Die Magnetisierungsstromregler werden mit der Differenz zwischen einem für alle Wechselrichter gemeinsam erzeugtren sinusförmigen Sollsignal i _m* und dem jeweiligen Magnetisierungsstromistsignal (i _{m 1} für Wechselrichter WR 1) beaufschlagt. Das Magnetisierungsstromistsignal wird als Differenz zwischen dem Ausgangsstrom des jeweiligen Wechselrichters und dem durch 3ü(n = 3) dividierten Strom der Sekundärwicklung Sw gewonnen. Ein dem Strom durch die Sekundärwicklung Sw entsprechendes Signal i₂ wird mit Hilfe einer Strommeßstelle 11 gewonnen und mittels einer Teilungseinrichtung 34 durch 3ü geteilt. Strommeßstellen 12, 13 und 14 dienen der Gewinnung von Signalen i₁₁, i₁₂ und i₁₃ entsprechend den Ausgangsströmen der Wechselrichter WR 1 bis WR 3. In Addierern 15, 16 17 wird das Ausgangssignal der Teilungseinrichtung 34 von den Signalen i₁₁, i₁₂ bzw. i₁₃ subtrahiert. Der Ausgang des Addierers 15 ist mit dem invertierten Eingang eines Addierers 18 im Wechselrichter WR 1 verbunden. Entsprechendes gilt für die Ausgänge der Addierer 16 und 17, obwohl es in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Das den nicht invertierten Eingang des Addierers 18 beaufschlagende Sollsignal i _m * wird mit Hilfe eines als Phasenschieber wirkenden Integrators 19 aus dem Spannungssollsignal u* gewonnen. Auf diese Weise erhält man ein Sollsignal für die Magnetisierungsstromregler CI 1 bis CI 3, das dem Spannunssollsignal u* und damit den Ausgangsspannungen der Wechselrichter um 90° nacheilt. Die Amplitude des Sollsignals für den Magnetisierungsstrom kann beispielsweise mit Hilfe der Integrationszeitkonstanten des Integrators 19 eingestellt werden.

Zwei nachfolgend als Lastverteilungsregler bezeichnete Stromregler CL 1, CL 2 dienen dazu, die symmetrische Lastaufteilung auf die drei Wechselrichter WR 1 bis WR 3 in bezug auf Wirk- und Blindleistung sicherzustellen. Zu diesem Zweck werden mittels eines Addierers 20 die den Ausgangsströmen entsprechenden Signale i₁₁, i₁₂ und i₁₃ aller drei Wechselrichter WR 1 bis WR 3 zu einem Summenstrom addiert. Der Summenstrom wird mittels einer Teilungseinrichtung 21 durch n = 3 geteilt. Der Ausgang der Teilungseinrichtung 21 ist mit dem Eingang eines schematisch dargestellten getasteten Doppelweggleichrichters 22 verbunden. Dessen Ausgang ist über ein Tiefpaßfilter 23 Addierern 24 und 25 zugeführt, die als Soll-Ist- Vergleichsstellen den Lastverteilungsreglern CL 1 bzw. CL 2 vorgeschaltet sind. Die Signale i₁₂ und i₁₃, die den Lastströmen der Wechselrichter WR 2 bzw. WR 3 entsprechen, sind an die Eingänge von getasteten Doppelweggleichrichtern 26 bzw. 27 geführt. Deren Ausgänge liegen über ein jeweiliges Tiefpaßfilter 28, 29 an den invertierten Eingängen des Addierers 24 bzw. 25. Die Gleichrichter 22, 26 und 27 werden mittels eines Steuersignal getastet, das mit Hilfe eines als Phasenschieber dienenden Tiefpasses 30 und eines nachgeschalteten Komparators 31 aus dem Ausgangssignal des Referenzsignalgenerators RS gewonnen wird. Es handelt sich daher bei diesem Steuersignal um ein Rechtecksignal, dessen Phase gegenüber der Phase der Grundschwingung der Ausgangsspannung irgendeines der Wechselrichter WR 1 bis WR 3 um 45° bis 135°, vorzugsweise um 90° nacheilt. Die Gründe hierfür werden später anhand von Fig. 2 näher erläutert.

Am Ausgang des Tiefpaßfilters 23 erhält man im wesentlichen ein Gleichstromsignal, dessen Höhe dem Betrag derjenigen Komponente des durch drei geteilten Summenstroms (i₁₁ + i₁₂ + i₁₃) entspricht, deren Phase gleich einer Bezugsphase, nämlich der Phase des die Gleichrichter 22, 26 und 27 tastenden Steuersignals ist. In entsprechender Weise erhält man an den Ausgängen der Tiefpaßfilter 28 und 29 im wesentlichen Gleichstromsignale, deren Höhe dem Betrag der Bezugsphasenkomponente des Signals i₁₂ bzw. i₁₃ entspricht. Der Ausgang des Lastverteilungsreglers CL 1 ist mit einem Eingang des Multiplizierers 32, derjenige des Lastverteilungsreglers CL 2 mit einem Eingang eines Multiplizierers 33 verbunden. Der andere Eingang beider Multiplizierer 22 und 23 ist mit dem Ausgang des Multiplizierers 8 verbunden. Das Ausgangssignal des Lastverteilungsreglers CL 1 steuert die Amplitude des Spannungssollsignals u₂* für den Wechselrichter WR 2. Entsprechend steuert das Ausgangssignal des Lastverteilungsreglers CL 2 die Amplitude des Spannungssollsignals u₃* für den Wechselrichter WR 3. Durch diese Steuerung der Amplituden der Spannungssollsignale für die Wechselrichter WR 2 und WR 3 mittels der Lastverteilungsregler werden die Ausgangsströme dieser Wechselrichter so geregelt, daß die Bezugsphasenkomponenten ihrer Ausgangsströme nach Betrag und Phase mit der Bezugsphasenkomponente des durch drei geteilten Summenstroms übereinstimmen.

Das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip sei nun anhand von Fig. 2 erläutert. Fig. 2(a) zeigt ein Ersatzschaltbild der Wechselrichteranordnung von Fig. 1. In diesem Ersatzschaltbild sind die Wechselrichter WR 1 bis WR 3 als Wechselspannungsquellen eingezeichnet, die die Spannungen u₁, u₂ bzw. u₃ liefern. Bei der nachfolgenden Erläuterung wird zur Vereinfachung vorausgesetzt, daß die Filterinduktivitäten L 1, L 2 und L 3 gleiche Werte besitzen. C′ in Fig. 2 entspricht dem auf die Primärseite des Ausgangstransformators umgerechneten Filterkondensator C von Fig. 1. Entsprechend ist i₂′ der auf die Primärseite umgerechnete Sekundärstrom des Ausgangstransformators. Mit i₁₁, i₁₂ bzw. i₁₃ sind die Ausgangsströme der Wechselrichter bezeichnet, und u _L ₁, u _L ₂ bzw. u _L ₃ stellen die Spannungsabfälle an den Filterinduktivitäten L 1 bis L 3 dar. u _a ′ ist die auf die Primärseite des Ausgangstransformators umgerechnete Ausgangsspannung der Wechselrichteranordnung.

Fig. 2(b) zeigt das zugehörige Zeigerdiagramm der Spannungen und der Ströme. Die Ausgangsspannungen u₁ bis u₃ der Wechselrichter sind, wie sich aus Fig. 1 ohne weiteres ergibt, gleichphasig. Der Betrag dieser Spannungen ist jedoch in dem mit der vorliegenden Erfindung auszuschließenden Fall der unsymmetrischen Lastaufteilung verschieden. Dabei ist in dem Zeigerdiagramm von Fig. 2(b) zur Vereinfachung der Erläuterung und ohne daß hierin irgendeine Beschränkung liegt, angenommen, daß der Betrag von u 1 gleich ¹/₃ der Summe der Beträge von u₁ bis u₃ ist. Unter dieser Voraussetzung ist die erstrebte symmetrische Lastaufteilung dann erreicht, wenn die Beträge der Spannungen u₂ und u₃ jeweils gleich dem Betrag der Spannung u₁ geworden sind, alle Spannungen u₁ bis u₃ also nicht nur in der Phase sondern auch im Betrag übereinstimmen. Wie aus dem Zeigerdiagramm der Spannungen in Fig. 2(b) unmittelbar folgt, ist dieser Zustand der nach Betrag und Phase gleichen Spannungen u₁ bis u₃ dann erreicht, wenn die Spannungsabfälle u _L ₂ und u _l ₃ in bezug auf Betrag und Phase gleich dem Spannungsabfall u _L₁ geworden sind. Dies aber ist dann der Fall, wenn die Ströme i₁₂ und i₁₃ nach Betrag und Phase mit dem Strom i₁₁ übereinstimmen.

Das Zeigerdiagramm der Ströme in Fig. 2(b) ergibt sich durch eine Drehung um 90° (entsprechend der Multiplikation mit 1/jω) aus dem Zeigerdiagramm für die Spannungen u _L ₁ bis u _L ₃. Es folgt aus den obigen Annahmen, daß in dem hier gewählten Beispielsfall die Phase (Phasenwinkel Φ₁) des Stroms i₁₁ übereinstimmt mit der Phase der Stromsumme i₂′. Daraus folgt, daß im dargestellten Fall die symmetrische Lastaufteilung dann erreicht ist, wenn die Phasenwinkel Φ₂ und Φ₃ je gleich dem Phasenwinkel Φ₁ geworden sind. Da die Spitzen der die Ströme i₁₁ bis i₁₃ in Fig. 2(b) repräsentierenden Zeiger zwangsläufig auf einer gemeinsamen, die Spannungszeiger u₁ bis u₃ und einem rechten Winkel schneidenden Geraden liegen, führt die Übereinstimmung der Phasenwinkel Φ₁ bis Φ₃ automatisch zur Übereinstimmung auch der Beträge der Ströme. Aus diesem Grunde ist auch die Bedingung übereinstimmender Phasenwinkel Φ₁ bis Φ₃ gleichbedeutend mit der Bedingung, daß die Beträge der Komponenten der Ströme i₁₂ und i₁₃ mit dem beliebigen Bezugsphasenwinkel Φ₀ mit dem Betrag der entsprechenden Komponente des Stroms i₁₁ übereinstimmen. Die Bezugsphase bzw. der Bezugsphasenwinkel Φ₀ ist beliebig, jedoch unter Ausschluß von Φ₀ = 0 (Richtung der Spannungszeiger u₁ bis u₃). Wie dem Zeigerdiagramm der Ströme in Fig. 2(b) leicht zu entnehmen ist, stimmen die Komponenten der Ströme i₁₁ bis i₁₃ mit dem Phasenwinkel Φ₀ = 0 überein, obwohl alle Ströme nach Betrag und Phase unterschiedlich sind. Ein nur wenig von 0 abweichender Bezugsphasenwinkel Φ₀ im Zeigerdiagramm von Fig. 2(b) würde zu ungenauen Ergebnissen führen. Günstig ist deshalb eine der Phase der Ausgangsspannungen der Wechselrichter um etwa 45 bis 135° nacheilende Bezugsphase. Am besten eignet sich der in Fig. 2(b) dargestellte Bezugsphasenwinkel Φ = 90°, das heißt, bezogen auf die Phase der Wechselrichterausgangsspannungen, eine um 90° nacheilende Bezugsphase.

In der Schaltung von Fig. 1 kann die Bezugsphase durch Dimensionierung des Tiefpasses 30 eingestellt werden.

Abweichend von dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Wechselrichteranordnung kann die Phasengleichheit zwischen den Ausgangsströmen i₁₁ bis i₁₃ auch auf eine andere, in den Zeichnungen nicht dargestellte Weise erfolgen. Die Elemente 20 bis 29 von Fig. 1 wären durch zwei Phasenvergleichseinrichtungen an sich bekannter Art zu ersetzen. Eine dieser Phasenvergleichseinrichtungen wäre eingangsseitig mit dem Signal i₁₁ einerseits und dem Signal i₁₃ andererseits zu beaufschlagen und mit dem Ausgang an den Eingang des Lastverteilungsreglers CL 2 anzuschließen. Die andere Phasenvergleichseinrichtung wäre eingangsseitig mit dem Signal i₁₁ einerseits und dem Signal I₁₂ andererseits zu beaufschlagen und mit dem Ausgang an den Eingang des Lastenverteilungsreglers CL 1 anzuschließen. Die beiden Phasenvergleichseinrichtungen erzeugten dann ein Ausgangssignal entsprechend der Phasendifferenz zwischen den Signalen i₁₁ und i ₁₃ einerseits bzw. den Signalen i₁₁ und i₁₂ andererseits. Bei der im übrigen (mit Ausnahme des Wegfalls der Elemente 30 und 31) gegenüber dem Aufbau von Fig. 1 unveränderten Schaltung würden die Lastverteilungsregler CL 1 und CL 2 sicherstellen, daß die Phasen aller Ausgangsströme der drei Wechselrichter übereinstimmen. Aus dem Vorhergehenden ergibt sich, daß dann gleichzeitig der Betrag jedes einzelnen dieser Ausgangsströme gleich ¹/₃ des Betrags des Summenstroms ist.

Claims (9)

1. Wechselrichteranordnung mit n parallel betriebenen Wechselrichtern (WR 1 bis WR 3), deren Ausgangsströme zu einem Summenstrom addiert und so geregelt werden, daß ihre Phasen im wesentlichen übereinstimmen und ihre Beträge je das 1/n-fache des Betrages des Summenstroms sind, umfassend
einen eigenen Spannungsregler (CV 1 bis CV 3) für jeden der n Wechselrichter (WR 1 bis WR 3),
Meßeinrichtungen (12, 13, 14) zur Erfassung der Ausgangsströme aller n Wechselrichter (WR 1 bis WR 3),
eine Summiereinrichtung (20) zur Bildung eines Summenstromsignals entsprechend der Summe der erfaßten Ausgangsströme (i₁₁ bis i₁₃),
eine Teilungseinrichtung (21) zur Erzeugung eines Strombezugssignals, das dem durch n geteilten Summenstrom entspricht,
Stromistwertbildungseinrichtungen (26, 28; 27, 29) zur Bildung von Stromistwertsignalen, und
Einrichtungen, von denen jede mit der Differenz zwischen einem Stromsollwertsignal und einem jeweiligen Stromistwertsignal der Ausgangsströme (i₁₂, i₁₃) beaufschlagt ist und mit ihrem Ausgangssignal den Spannungssollwert für den Spannungsregler (CV 2, CV 3) des zugeordneten Wechselrichters (WR 2, WR 3) steuert,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Stromsollwertbildungseinrichtung (22, 23) zur Erzeugung eines Stromsollwertes entsprechend dem Betrag derjenigen Komponente des Strombezugssignals, deren Phase gleich einer Bezugsphase ist, vorgesehen ist,
daß (n-1) Stromistwertbildungseinrichtungen (26, 28; 27, 29) (n-1) Stromistwertsignale bilden, von denen jedes dem Betrag derjenigen Komponente des Ausgangsstroms eines jeweils anderen von (n-1) der Wechselrichter (WR 1 bis WR 3) entspricht, deren Phase gleich der Bezugsphase ist, und
daß es sich bei den mit der Differenz zwischen dem Stromsollwertsignal und einem jeweiligen Stromistwertsignal der Ausgangsströme (i₁₂, i₁₃) beaufschlagten Einrichtung um (n-1) Stromregler (CL 1, CL 2) handelt, derart, daß die Ausgangsströme von (n-1) der Wechselrichter geregelt werden.

2. Wechselrichteranordnung mit n parallel betriebenem Wechselrichtern (WR 1 bis WR 3), deren Ausgangsströme zu einem Summenstrom addiert und so geregelt werden, daß ihre Phasen im wesentlichen übereinstimmen und ihre Beträge je das 1/n-fache des Betrages des Summenstroms sind, umfassend
einen eigenen Spannungsregler (CV 1 bis CV 3) für jeden der n Wechselrichter (WR 1 bis WR 3),
Einrichtungen, von denen jede mit der Differenz zwischen einem Stromsollwertsignal und einem jeweiligen Stromistwertsignal (i₁₂, i₁₃) beaufschlagt ist und mit ihrem Ausgangssignal den Spannungssollwert für den Spannungsregler (CV 2, CV 3) des zugeordneten Wechselrichters (WR 2, WR 3) steuert,
dadurch gekennzeichnet,
daß (n-1) Phasenvergleichseinrichtungen zur Erzeugung eines jeweiligen Phasendifferenzsignals entsprechend der Phasendifferenz zwischen dem Ausgangsstrom eines ersten der n Wechselrichter und dem Ausgangsstrom eines i-ten Wechselrichters (i = 2 bis n) vorhanden sind, und
daß es sich bei den mit der Differenz zwischen dem Stromsollwertsignal und einem jeweiligen Stromistwertsignal der Ausgangsstöme (i₁₂, i₁₃) beaufschlagten Einrichtungen um (n-1) Stromregler handelt, von denen jeder mit dem Ausgangssignal einer jeweils anderen der Phasenvergleichseinrichtungen beaufschlagt wird, derart, daß die Ausgangsströme von (n-1) der Wechselrichter geregelt werden.

3. Wechselrichteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen gemeinsamen Ausgangstransformator (Tr) mit n Primärwicklungen (Pw 1, Pw 2, Pw 3) gleicher Windungszahl, von denen jede von einem anderen der n Wechselrichter (WR 1 bis WR 3) gespeist wird, wobei ein der Ausgangspannung an der gemeinsamen Sekundärwicklung (Sw) des Ausgangstransformators (Tr) entsprechendes Signal als Spannungsistsignal den Spannungsregelern (CV 1 bis CV 3) der n Wechselrichter zugeführt wird.

4. Wechselrichteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Wechselrichter eine Magnetisierungs strommeßeinrichtung (11 bis 17) zur Erfassung des Magnetisierungsstromanteils im Ausgangsstrom des Wechselrichters sowie eine Gleichstromunterdrückungseinrichtung (18, 19, CI 1 bis CI 3) zugeordnet ist, durch die eine Gleichstromkomponente im Magnetisierungsstromanteil unterdrückbar ist.

5. Wechselrichteranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierungsstrommeßeinrichtung umfaßt:
eine Einrichtung (11) zum Messen des Sekundärstromes des Ausgangstransformators (Tr),
eine Teilungseinrichtung (34) zum Teilen des gemessenen Sekundärstroms durch n · ü, wenn ü das Übersetzungsverhältnis des Ausgangstransformators (Tr) ist;
eine Einrichtung (15 bis 17) zur Bildung der Differenz zwischen dem Ausgangsstrom des jeweiligen Wechselrichters (WR 1 bis WR 3) und dem durch n geteilten Sekundärstrom.

6. Wechselrichteranordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Phasenschieber (19) zur Erzeugung eines dem Spannungssollsignal (u*) für die Spannungsregler (CV 1 bis CV 3) der Wechselrichter (WR 1 bis WR 3) um 90° nacheilenden Magnetisierungsstrom-Sollsignals vorgesehen ist und daß die Gleichstromunterdrückungseinrichtung ein Magnetisierungsstromregler (CI 1 bis CI 3) ist, der mit der Differenz zwischen dem Magnetisierungsstrom- Sollsignal und dem Magnetisierungsstrom-Istsignal beaufschlagt wird und dessen Ausgangssignal dem Spannungssollsignal für den Spannungsregler des jeweiligen Wechselrichters überlagert wird.

7. Wechselrichteranordnung nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 3 bis 6 in Verbindung mit Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromsollwertbildungseinrichtung und die Stromistwertbildungseinrichtung getastete Doppelweggleichrichter (22, 26, 27) umfassen, die von einem die Bezugsphase aufweisenden Steuersignal getastet werden und denen ein Tiefpaßfilter (23, 28, 29) nachgeschaltet ist.

8. Wechselrichteranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsphase eine der Phase der Grundschwingung der Ausgangsspannung eines der Wechselrichter (WR 1 bis WR 3) um 45° bis 135°, vorzugsweise um 90°, nacheilende Phase ist.

9. Wechselrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Filterkondensator (C) parallel zu den Ausgangsklemmen (1, 2) der Wechselrichteranordnung geschaltet ist und ein dem Strom durch den Filterkondensator (C) entsprechendes Signal (i _c ) von den Ausgangssignalen der Spannungsregler (CV 1 bis CV 3) der Wechselrichter (WR 1 bis WR 3) subtrahiert wird.