DE1236002B - Elektronischer Umschalter mit zwei Thyristoren, die abwechselnd gezuendet werden - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND Int. ei.

H03k

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 21 al - 36/18

Nummer: 1236002

Aktenzeichen: W 41009 VIII a/21 al

Anmeldetag: 25. Februar 1966

Auslegetag: 9. März 1967

Die Erfindung bezieht sich auf elektronische Umschalter mit zwei Thyristoren, die abwechselnd gezündet werden und über eine Kommutierungsdrossel mit Mittelanzapfung hintereinandergeschaltet und an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen sind, wobei jedem Thyristor und dem ihm zugeordneten Drosselteil ein Kondensator parallel geschaltet ist.

Mit diesen bekannten Anordnungen, die insbesondere als Zweipunkt-Gleichstromregler und als Umschalter in Verbindung mit Wechselrichtern in Brückenschaltung verwendet werden, sind eine Anzahl von Nachteilen und Bemessungsschwierigkeiten verbunden. Bei der bekannten Technik (vgl. F i g. 1) ist nämlich die Last an die Mittelanzapfung der Kommutierungsdrossel angeschlossen, so daß diese nicht nur zur Speicherung der Kommutierungsenergie dient, sondern auch den vollen Laststrom führen muß. Daher können verschiedene vorübergehende oder länger anhaltende Belastungszustände zu einer Absenkung der verfügbaren Kommutierungsspannung führen und eine Überbemessung abhängig von der jeweiligen Belastung notwendig machen. Bei der Auslegung erweist es sich vor allem als Nachteil, daß man die Kommutierungsdrossel nicht annähernd so ideal auslegen kann, wie es mit Rücksicht auf eine volle Ausnutzung der Röhren oder Ventile zweckmäßig wäre. Die Abmessungen der Drossel sollten nämlich möglichst klein sein, um eine enge Kopplung zwischen den Wicklungshälften zu erzielen. Der Verwirklichung dieser Forderung steht jedoch die Tatsache entgegen, daß mit Rücksicht auf den hohen Laststrom ein großer Wicklungsraum benötigt wird. Ferner ist ein Luftspalt im Eisenkern unerwünscht, weil dadurch die magnetische Permeabilität herabgesetzt würde. Andererseits muß man aber einen solchen vorsehen, um eine Sättigung des Kernes infolge* des hohen Laststromes zu vermeiden. Vor einem Schaltvorgang wird in der Drossel infolge des durchfließenden Laststromes Energie gespeichert, die jedoch während des Schaltvorganges nicht vollständig für die Löschung zur Verfügung steht, so daß die Größe der Sperrspannung an dem zu löschenden Ventil einen niedrigeren Wert hat und die mögliche Freiwerdezeit heraufsetzt.

Diese Nachteile treten nicht auf, wenn erfindungsgemäß der gesamten Kommutierungsdrossel zwei in Reihe geschaltete Drosseln parallel geschaltet sind, ferner die Last an den Verbindungspunkt dieser Drosseln angeschlossen ist und die die Drosseln enthaltenden Stromkreiszweige je ein Ventil enthalten, die ebenso gepolt sind wie die in dem gleichen Stromkreis liegenden Thyristoren.

Elektronischer Umschalter mit zwei Thyristoren,
die abwechselnd gezündet werden

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,
Pittsburgh, Pa. (V.St.A.)

Vertreter:

Dr. jur. G. Hoepffner, Rechtsanwalt,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Straße

Als Erfinder benannt:

Kenneth Lipman, Tonawanda, N. Y.;

Eugene R. Pledger, West Seneca, Ν. Υ. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. ν. Amerika vom 16. Juli 1965 (472 622) - -

An die Stelle der beiden Drosseln für die zwei Parallelzweige kann auch ein gemeinsamer Kern mit zwei Wicklungen treten.

Durch diese Maßnahmen gelingt es, die Kommutierungsdrossel optimal für ihre spezifische Funktion zu bemessen. Durch die Entkopplung des Lastkreises von dem Kommutierungskreis läßt sich ferner eine Verminderung der Kommutierungsspannung durch Abfließen der gespeicherten Energie in den Lastkreis verhindern.

Weitere Vorteile und Eigenschaften werden im folgenden im Zusammenhang mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert.

F i g. 1 zeigt eine bekannte Ausführungsform eines Wechselrichters;

F i g. 2, 3 und 4 zeigen die Anwendungen des Erfindungsgedankens bei Wechselrichtern und

Fig. 5 die Anwendung des Erfindungsgedankens bei einem Gleichspannungsregler.

F i g. 1 zeigt einen bekannten Wechselrichter in Brückenschaltung mit zwei völlig gleichen elektronischen UmschalternBl und B2, von denen jeder zwei Thyristoren Tl, T2 bzw. Γ3 und T 4 enthält. Die Kommutierungsdrossel ist mit L und ihre Teilwicklungen sind mit Ll und L 2 bezeichnet. Parallel zu jedem Thyristor und dem zugehörigen Wicklungsteil Ll bzw. L 2 liegt ein KondensatorCl bzw. C 2. Bei dieser Anordnung wird beim Zünden des einen Thyristors eines Umschalters ein Impuls von ausreichender Dauer (Freiwerdezeit) erzeugt, der den

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anderen Thyristor in Sperrichtung beansprucht und in den Sperrzustand überführt. Dementsprechend wird Tl gelöscht, wenn T2 gezündet wird, und umgekehrt. Das gleiche gilt für die Thyristoren T 3 und T 4 des anderen Umschalters B2. Die Thyristoren Tl 5 und T 4 und die Thyristoren T 2 und T 3 werden in der Regel gemeinsam, jedoch in einem Phasenabstand von 180° gezündet.

Zur Erläuterung der eingangs erwähnten Nachteile wird kurz auf die an sich bekannte Funktionsweise derartiger Umschalter eingegangen. Die Erläuterung beschränkt sich dabei auf den mit B1 bezeichneten Umschalter: Den Thyristoren Tl und T2 werden komplementäre Steuersignale zugeführt, so daß dem einen das Steuersignal entzogen wird, wenn der andere gezündet wird. Wenn Tl sperrt, führt T2 Strom, und der Kondensator Cl lädt sich gegen die Versorgungsspannung auf, während sich C 2 entlädt. Der Laststrom fließt über die untere Hälfte L 2 der Kommutierungsdrossel L. Wenn Tl gezündet wird, verschwindet das Steuersignal an T 2. Der Thyristor Tl verliert seine Sperrfähigkeit, und die Spannung des Kondensators Cl tritt auch an der unteren Teilwicklung L 2 der Kommutierungsdrossel auf, die ja induktiv mit der oberen TeilwicklungLl gekoppelt ist. Mit Rücksicht auf die Kondensatoren Cl und C2 kann sich jedoch das Potential der Mittelanzapfung X nicht momentan ändern. Es liegt daher än dem Thyristor T 2 eine Spannung, die diesen in Sperrichtung beansprucht und zu einer Stromlöschung führt.

Wenn der Thyristor Tl stromführend ist, entlädt sich über ihn der Kondensator Cl, während sich der Kondensator C 2 gegen die Versorgungsspannung auflädt. Der Laststrom fließt jetzt über die Thyristoren Tl und T4 sowie über die Teilwicklung L1.

Nach dem darauffolgenden Zünden von T 2 liegt der geladene Kondensator C 2 an der Teilwicklung L 2. Infolge der Transformatorwirkung der Kommutierungsdrossel L liegt etwa die gleiche Spannung auch an der Teilwicklung LI, durch die Tl in Sperrrichtung beansprucht und gelöscht wird. Danach beginnt wieder die Ladung des Kondensators Cl, und die Thyristoren T 2 und Γ 3 führen den Laststrom.

Die Thyristoren Tl und T2 lösen sich somit in der Stromführung ab. Diese Funktion der bekannten Anordnung läßt ohne weiteres zwei Nachteile erkennen: Der eine besteht darin, daß der Laststrom die Teilwicklungen der Kommutierungsdrossel durchfließt und ihre Bemessung daher einen unerwünschten Kompromiß darstellen muß. Der andere Nachteil ist in der Tatsache zu sehen, daß die für die Kommutierung erforderliche Kondensatorladung in den Lastkreis abfließt, wenn plötzliche Laststöße unmittelbar vor dem Umschaltzeitpunkt auftreten. Wenn beispielsweise Tl Strom führt, dann hat ein plötzlicher Laststoß ein Absinken des Potentials an der Anzapfung X und damit zumindest eine teilweise Entladung des Kondensators C 2 zur Folge, so daß nicht die maximal mögliche Energie für den folgenden Kommutierungsvorgang zur Verfugung steht. Diese Nachteile werden durch die erfindungsgemäße Entkopplung zwischen Kommutierungs- und Lastkreis im wesentlichen vermieden oder doch zumindest stark herabgesetzt.

In F i g. 2 ist die Anwendung der Erfindung bei einem Wechselrichter in Brückenschaltung dargestellt. Die eigentliche Brückenschaltung ist mit 10 und der Steuerkreis mit 12 bezeichnet.

Die Brücke besteht aus vier Thyristoren Tl, T2, T3 und T4. Die Anode jedes Thyristors ist mit A, die Kathode mit K und die Steuerelektrode mit G bezeichnet. Die beigefügte Kennziffer entspricht der des jeweiligen Thyristors, d. h., daß beispielsweise die Anode des Thyristors Γ2 mit A 2 bezeichnet ist.

Die Brücke 10 besitzt Eingangsklemmen 14 und 16, die an eine Gleichspannungsquelle 18 angeschlossen sind. Ihre Lastklemmen sind mit LD1 und LD 2 bezeichnet und mit einer Last 20 verbunden. Zwischen den Klemmen 14 und 16 liegen zwei vollständig gleich aufgebaute Umschalter U1 und U 2. Die Erläuterung wird daher im folgenden auf den Umschalter U1 beschränkt. Dieser ist im wesentlichen ebenso aufgebaut, wie der Umschalter B1 in Fig. 1. Die entsprechenden Teile sind daher ebenso wie dort bezeichnet. Zusätzlich ist jedem der beiden Kondensatoren eine Diode D1 bzw. D 2 parallel geschaltet, deren Durchlaßrichtungen umgekehrt sind als die der Thyristoren Tl und T2.

Im Gegensatz zu der Anordnung nach F i g. 1 ist hier jedoch die Last 20 nicht mit der Mittelanzapfung der Kommutierungsdrossel L verbunden. Sie ist vielmehr über zwei parallele Zweige, bestehend aus je einer Drossel L 3 bzw. L 4 und einer Diode D 5 bzw. D 6 mit den äußeren Anschlüssen 30, 32 der Kommutierungsdrossel verbunden. Die DiodenDS und D 6 haben die gleiche Durchlaßrichtung wie die Thyristoren Tl und T2. Außerdem ist die Last über eine Diode D 3 mit der positiven Klemme 14 und über eine Diode D 4 mit der negativen Klemme 16 unmittelbar verbunden. Diese Dioden weisen die umgekehrte Durchlaßrichtung auf als die Thyristoren Tl und Γ 2.

Die Steueranordnung für die Thyristoren ist in F i g. 2 mit 12 bezeichnet und besteht im wesentlichen aus einem Oszillator 40, der eine rechteckförmige Wechselspannung bestimmter Frequenz liefert, die der Primärwicklung 42 eines Impulstransformators 44 zugeführt wird. Dieser Transformator ist mit vier den einzelnen Thyristoren zugeordneten Sekundärwicklungen 46, 48, 50 und 52 versehen, die über einen Widerstand und eine Diode an die Steuerstrecke G, K der einzelnen Thyristoren angeschlossen sind. Die Zuordnung ist aus den den Buchstaben beigegebenen Ziffern zu entnehmen. Die Dioden sind dabei so gepolt, daß immer die ThyristorenTl und T 4 und die Thyristoren T 2 und Γ 3 gleichzeitig einen Zündimpuls erhalten.

Wenn daher Tl und T4 gezündet sind, fließt der Strom von der Quelle 18 über den Thyristor Tl, die Drossel L 3, Diode D 5, Last 20 und den entsprechend aufgebauten Zweig des Umschalters U 2 mit dem Thyristor T 4 zurück zur Quelle 18. Werden darauf die Thyristoren T 2 und T 3 gezündet, dann werden die bisher leitenden Thyristoren auf die gleiche Weise durch die in den Kondensatoren gespeicherte Energie gelöscht, wie dies im Zusammenhang mit F i g. 1 bereits erläutert wurde. Es fließt daher dann ein Strom in umgekehrter Richtung über die Last 20, und zwar von der Quelle 18 über den den Thyristor Γ 3 enthaltenden Zweig des Umschalters U 2 und über die Diode D 6, Drossel L 4 und Thyristor T2 des Umschalters Ul.

Eine Veränderung der Ausgangsspannung läßt sich hierbei auf bekannte Weise durchführen, z. B. durch entsprechenden Phasenwechsel zwischen den den Thyristoren Γ 3 und T 4 einerseits und den den Thy-

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ristoren T 2 und Γ 4 andererseits zugeführten Signalen, um so eine Art Impulsbreitenmodulation zu erhalten. Im Gegensatz zu Fig. 1 sind bei der Anordnung nach F i g. 2 die Kommutierungskreise von den Lastkreisen entkoppelt. Da die KommutierungsdrosselL in F i g. 2 keinen Laststrom zu führen braucht, kann sie optimal für ihre Funktion als Kommutierungsdrossel bemessen werden. Insbesondere kann eine Drossel mit kleinen Abmessungen und ohne Luftspalt verwendet werden. Darüber hinaus verhindern die Dioden D 5 und D 6 eine Entladung der Kondensatoren bei Laststößen vor allem kurz vor dem Umschaltzeitpunkt, wodurch sonst der Kommutierungsvorgang verlängert, wenn nicht gar verhindert würde. Zur Erklärung dieser Zusammenhänge wird unterstellt, daß Tl Strom führt und C2 auf den Wert der Speisespannung aufgeladen ist. Dann ist die Kathode Kl und der Verbindungspunkt 30 im wesentlichen auf dem Potential der positiven Klemme der Spannungsquelle 18. Laststöße können daher dieses Potential nicht beeinflussen. Daher ist auch eine Entladung des Kondensators C 2, der ja an der Spannungsquelle 18 liegt, über die Verbindung 30 unmöglich. Der einzig mögliche Weg für eine Entladung verläuft in diesem Zeitpunkt über die Drossel L 2, L 4 und L 6. Diese Diode kann aber einen Entladestrom nicht durchlassen. Auf diese Weise bleibt die Spannung an dem Kondensator C2 voll für den Kommutierungsvorgang — auch bei Laststößen — erhalten. Die Polarität der Dioden D 5 und D 6 ist so gewählt, daß sie ■— gleichsinnig in Reihe geschaltet — die Kommutierungsdrossel L überbrücken. Ein Kurzschluß der Drossel während des Kommutierungsvorganges wird dabei durch die Drosseln L 3 und L 4 verhindert, wenn diese eine ausreichende Impedanz aufweisen. Das ist der Hauptzweck dieser Drosseln. Die DiodenDl und D 2 verbinden die Kondensatoren Cl bzw. C2 mit der positiven bzw. negativen Sammelschiene, um so eine Überladung der Kondensatoren zu verhindern und Spannungsspitzen nach dem Kommutierungsvorgang von dem Kommutierungskondensator fernzuhalten. Die Dioden D 3 und D 4 ermöglichen eine Blindstromrückspeisung. In F i g. 3 ist ein etwas abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es handelt sich dabei ebenfalls um einen einphasigen Wechselrichter in Brückenschaltung, wobei zwei Zweige der Brücke, nämlich die mit Ul bezeichneten, genauso ausgebildet sind wie die entsprechend bezeichneten Zweige der in F i g. 2 dargestellten Anordnung. Lediglich die beiden anderen Brückenzweige, die bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 Thyristoren enthalten, bestehen hier aus Kondensatoren C 3 und C 4. Zwisehen die Lastklemmen LD1 und LD 2 ist die Primärwicklung eines Transformators 54 angeschlossen, dessen Sekundärwicklung eine Last 20 speist. Ein weiterer Unterschied gegenüber dem in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht darin, daß hier die Drosseln L 3 und L 4 auf einen gemeinsamen Kern gewickelt sind. Es handelt sich hierbei um eine äquivalente Ausführungsform, die auch im Zusammenhang mit den anderen dargestellten Ausführungsbeispielen angewendet werden kann. Man kann also 6g wahlweise die beiden Wicklungen auf einen gemeinsamen Kern oder auf getrennte Kerne aufbringen. Die mit diesen Wicklungen in Reihe liegenden Dioden D S und D 6 können an der in den F i g. 2 und 3 oder an der in den F i g. 4 und 5 dargestellten Stelle liegen. Die Wirkungsweise der Anordnung nach F i g. 3 ist im wesentlichen die gleiche wie die der Anordnung nach F i g. 2. Ausgehend von der Anordnung nach F i g. 2 erhält man durch einfaches Hinzufügen eines weiteren elektronischen Umschalters einen dreiphasigen Wechselrichter in Brückenschaltung. Eine solche Anordnung zeigt F i g. 4. Die drei elektronischen Umschalter sind dort mit Ul, U 2 und U 3 bezeichnet und jeweils untereinander völlig identisch aufgebaut. Die Ausführung entspricht dabei — wie der mit U1 bezeichnete Teil zeigt — der Anordnung des entsprechend bezeichneten Teiles in Fig. 3. Der mit U2 bezeichnete Umschalter enthält die Thyristoren Γ 3 und T 4 und der mit U 3 bezeichnete Umschalter die Thyristoren T 5 und T 6. Die Lastklemmen sind mit LD1, LD 2 und LD 3 bezeichnet. An sie ist eine dreiphasige Last 94 angeschlossen. Die Ansteuerung der Thyristoren solcher Wechselrichter ist bekannt: Die Thyristoren werden in der nachfolgend angegebenen Reihenfolge im Abstand von 60° el. nacheinander gezündet: Tl, T6, T3, T2,TS, T4, Tl usf. F i g. 5 veranschaulicht eine weitere Anwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Umschalters. Hierbei ist ein mit Ul bezeichneter Umschalter, dessen Aufbau den entsprechend bezeichneten Umschaltern der anderen Ausführungsbeispiele entspricht, an eine Gleichspannungsquelle 18 angeschlossen. Eine Last 102 ist an die Klemme LD1 angeschlossen und liegt parallel zu dem den Thyristor T 2 enthaltenden Zweig. Eine solche Anordnung arbeitet als Gleichspannungs-Zweipunktregler, wenn man die Thyristoren Tl und T2 abwechselnd zündet. Über den Thyristor Tl fließt sowohl der Laststrom als auch die Kommutierungsenergie. Er wird beim Zünden des Thyristors Γ 2 in den Sperrzustand übergeführt. Das ist die einzige Aufgabe des Thyristors T 2. Für das folgende sei der Abstand zwischen den Zündwinkeln der Thyristoren Tl und T2 in dieser Reihenfolge mit Jl, der Abstand zwischen den Zündwinkeln der Thyristoren T2 und Tl mit J2 bezeichnet. Verändert man nun das Verhältnis von Jl zu. J 2, so erhält man davon abhängig eine verschieden große Stromflußzeit für den Thyristor Tl. Dieser Thyristor wird beispielsweise immer bei 0 und 360°, der Thyristor T2 dagegen zu einem einstellbaren Zeitpunkt zwischen diesen beiden Werten gezündet. Die Dioden D 3 und D 4 sind nur bei induktiver Last erforderlich und können somit bei ohmscher Last weggelassen werden. Patentansprüche:

1. Elektronischer Umschalter, insbesondere für Wechselrichter und Gleichspannungsregler, mit zwei Thyristoren, die abwechselnd gezündet werden und über eine Kommutierungsdrossel mit Mittelanzapfung hintereinandergeschaltet und an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen sind, wobei jedem Thyristor und der ihm zugeordneten Teilwicklung der Drossel ein Kondensator parallel geschaltet ist, dadurch gekennzeich-

net, daß der gesamten Kommutierungsdrossel (L) zwei in Reihe geschaltete Drosseln (L3, L4) parallel geschaltet sind, daß die Last (20) an den Verbindungspunkt dieser Drosseln angeschlossen ist und daß die die Drosseln (L3, L 4) enthaltenden Stromkreiszweige je ein Ventil (Z) 5, D 6) enthalten, die ebenso gepolt sind wie die in dem gleichen Stromkreis liegenden Thyristoren (Tl, T2).

2. Elektronischer Umschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle von zwei Drosseln ein einziger Kern mit zwei Teilwicklungen (L3, L 4) vorgesehen ist.

3. Elektronischer Umschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Thyristor (Tl, Γ2) und dem zugeordneten Wicklungsteil (Li, L2) der Kommutierungsdrossel (L) eine Diode (Dl, D2) antiparallel geschaltet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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