DE1463679A1 - Geregelter Wechselrichter - Google Patents

Description

Geregelter Wechselrichter

Die Erfindung bezieht sich auf eine geregelte Stromversorgungsanlage für Gleichstrom. Bei einer Anwendung wird der geregelte Gleichstrom an einen statischen Wechselrichter angeschlossen, der einen Wechselstrom konstanter Spannung liefert, um eine Last zu versorgen, die über einen weiten Bereich veränderlich ist, wobei der geregelte Gleichstrom von einer· Gleichstromquelle geliefert wird, die wesentlichen Schwankungen unterworfen sein kann. Die Gleichstromquelle ist meist eine Batterie oder eine Primärzelle, deren Spannung innerhalb von weiten Grenzen schwanken kann, z.B. von 1,6 bis 1 Volt, wenn sie entladen wird.

Es ist bereits bekannt, die Ausgangsspannung eines solchen Wechselrichtersystems dadurch zu regeln, daß eine vormagnetisierte Spule oder ein Magnetverstärker verwendet wird, jedoch haben diese den Nachteil, daß dadurch die Vorrichtung sehr schwer wird, daß der Wirkungsgrad gering ist, und daß sie eine große Einstellzeit haben.

Durch die vorliegende Erfindung werden diese Nachteile behoben.

Der geregelte Wechselrichter arbeitet vollkommen ruhig und mit hohem Wirkungsgrad, Andere Lösungen, um die oben genannten Nachteile zu vermeiden, sind nicht so anpassungsfähig und haben einen sehr beschränkten Regelbereich. Die Anordnung

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gemäß der Erfindung ist sehr anpassungsfähig, hat einen großen Regelbereich und arbeitet vollkommen ohne bewegliche Teile, mit Ausnahme von Potentiometern, und insbesondere werden

keine elektromagnetischen Relais benötigt, welche unter den Bedingungen, unter denen ein /Wechselrichter arbeitet, unstabile Zustände annehmen können.

Gemäß der Erfindung besteht die automatisch geregelte Gleichstromversorgung, deren Ausgang gesteuert ist, aus einer Gleichstromquelle, einem statisch geregelten Gleichstromzerhacker, der von der Gleichstromquelle mit Strom versorgt wird. Der Gleichstromzerhacker ist so aufgebaut, daß die Impulslänge seines Ausgangs umgekehrt proportional der Eingangsgleichspannung ist« Die Vorrichtung enthält weiter Mittel, durch welche die Ausgangsgleichspannung proportional zu dem zu regelnden Ausgang gemacht wird und Mittel, um die zuletzt genannte Spannung mit einer Sollspannung zu vergleichen, wobei Steuerimpulse erhalten werden, deren Frequenz ansteigt, wenn die Ausgangsspannung fällt.Die Steuerimpulse werden an den Gleichstromzerhacker angelegt, um ihn zu betätigen.

Der Gleichstromzerhacker kann einen gesteuerten Gleichrichter enthalten, der durch schmale Steuerimpulse eingeschaltet wird, und durch einen Kommutator-Resonanzkreis ausgeschaltet wird. Zwischen der Impulsquelle für die Steuerimpulse und dem Gleichstromzerhacker kann eine Torschaltung angeordnet sein als Schutz gegen eine Fehlfunktion des Kommutatorkreises und gegen Überlastungen.

Anhand der Figuren soll die Erfindung näher beschrieben werden.

Figur 1 stellt ein Blockdiagramm für einen statischen und automatisch geregelten Wechselrichter gemäß der Erfindung dar. Figur 2 zeigt ein Blockdiagramm mit mehr Einzelheiten für einen Wechselrichter gemäß Figur 1. Figur 3 zeigt die Schal-

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tungsanordnung für einen Gleichstromzerhackerkreis sowie einen ./echselrichter und einen Filterkreis, welche bei der Anordnung von Figur 2 verwendet werden können. In Figur 4 ist eine Schaltungsanordnung für den Steuerstromkreis dargestellt, der bei der Anordnung nach Figur 2 verwendet werden kann.

Der automatisch geregelte statische Wechselrichter nach Figur 1 bildet einen geschlossenen Kreis mit drei Hauptteilen, nämlich dem Regler 1, dem Wechselrichter 2 und dem Filter 3. Der Strom wird zugeführt von einer Gleichstromquelle, und an die Last wird Wechselstrom geliefert. Die Wechselspannung, die konstant gehalten werden soll, wird auf den Regler zurückgegeben.

Das System arbeitet folgendermaßen : Im Regler 1 wird der Gleichstrom in Impulse zerhackt, deren Frequenz so gesteuert wird, daß ein Ansteigen der Frequenz ein Ansteigen des Gleichstroinausganges des Heglers ergibt. Der Reglerausgang ist an einen i'/echselrichter angeschlossen, aer beispielsweise von einem stabilen Oszillator betrieben wird und die Gleichspannung in eine Rechteckwechselspannung umwandelt, die dann durch den Filterstromkreis in eine sinusförmige Wechselspannung umgewandelt wird, welche an die Last abgegeben wird. Die sinusförmige Ausgangswechselspannuhg wird wieder dem Regier zugeführt, wo sie frieichgerichtet wird und mit einer Normalspannung verglichen wird. Die Differenz wird zur Steuerung der Zerhaekerfrequenz in solcher Äfeise verwendet, dali ein Absinken aer Aus^angsspannung bewirkt, daß die Frequenz ansteigt und damit auch die Ausgangsgleichspannung des Reglers ansteigt, so daß die Ausgangswechselspannung konstant gehalten wird. Außerdem ist die Impulsbreite des Gleichatromserhackers umgekehrt proportional der Eingangsgleichspannung, so daß ein Ansteigen der Eingangsgleichspannung eine Verminderung der Impulsbreite bewirkt, so daß auch dadurch die Ausgangs spannung konstant gehalten wird.

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Bei der Anordnung nach Figur 2 ist eine ungeregelte Gleich-, stromquelle an den Gleichstromzerhacker 4 angeschlossen, dessen Ausgang an den Wechselrichter 2 angeschlossen ist, und dieser über den Filterkreis 3 an die Last, Der Ausgang vom Filter 3 liegt an einer Komparator- und Stabilisierungsschaltung 5, wo sie mit der Normalspannung aus der Spannungsquelle 6 verglichen wird. Die Bezugsspannung kann eine Gleichspannung aus der Stromquelle 6 sein, und der Vergleich kann zwischen dieser Spannung und der gleichgerichteten Ausgahgsspannung der Filterschaltung 3 vorgenommen werden. Eine Stabilisierungsspannung kann weiter vom Ausgang des Gleichstromzerhackers über die Leitung 13 zugeführt werden, die dem Anschluß 13 von Fi-

^ gur 3 und 4 entspricht. Die Ausgangsspannung des Komparators wird in dem Gleichspannungsverstärker 7 verstärkt, und der ■ Ausgang von 7 ist an den Impulsgenerator 8 angeschlossen, der Impulse erzeugt, deren Frequenz ansteigt, wenn die Ausgangsspannung des Verstärkers 7 ansteigt. Die Impulse werden über die Torschaltung 9 an den Gleichstromzerhacker angelegt, wobei die Torschaltung 9 eine Überlastungsbegrenzung entweder für eine Überlastung am Ausgang oder eine Überlastung das Zerhackers bildet und einen Schutz gegen einen Durchgangskontakt des Zerhackers während der kritischen Umschaltzeit des gesteuerten Gleichrichters des Zerhackers und mittels eines Impulsverstärkers 10. Der Überlastungsschutz für den Ausgang wird durch eine Überlast-Bezugsspannungsquelle 11 erzielt,

w deren Ausgang an einen Eingang der Torschaltung angeschlossen ist. Ein Spannungssignal des Gleichstromzerhackers wird weiter an einen anderen Eingang der Torschaltung über die Leitung 19 angelegt, welche den Anschlüssen 19 und Figur 3 und 4 entspricht, so daß sich ein Schutz gegen eine Fehlfunktion des Zerhacker-Kommutatorkreises ergibt.

Bei der Schaltungeanordnung nach Figur 3 ist die veränderliche Gleichspannungsquelle an die Eingangsanschlüsse + und - angeschlossen. Der Gleichstromzerhackerkreis verwendet einen

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gesteuerten Siliziumgleichrichter SCR1, der auf Durchgang geschaltet wird mit Impulsen von kurzer Dauer, welche an die Anschlüsse 12 und 13 von einem Steuerkreis angelegt werden, der später anhand von Figur 4 im einzelnen beschrieben wird. Der steuerbare Siliziumgleichrichter SCH1 wird gesperrt, indem der Laststrom durch einen Resonanzkreis C1 und T1 überbrückt wird, wodurch der gesteuerte Siliziumgleichrichter SGR1 eine Spannung in Sperrichtung für eine genügend lange Zeit erhält, um in den Sperrzustand zurückzukehren. Bevor SOR1 auf Durchgang geschaltet wird, wird der Kondensator C1 von der Gleichstromquelle aufgeladen. Wenn SCR1 auf Durchgang geschaltet wird, bilden der Kondensator G1 und die vormagnetisierte Drossel T1 über SCR1 einen Resonanzkreis, und die Gleichspannungsquelle ä ist außerdem mittels des steuerbaren Gleichrichters SCR1 an das Zerhackerfilter angeschlossen, das aus der Induktivität L2 und dem Kondensator G2 besteht. Der Strom im Resonanzkreis fließt zuerst in Durchlaßrichtung durch den gesteuerten Gleichrichter« Wenn der 3-tromfluß sich umkehrt, ist er dem Laststrom entgegengesetzt gerichtet, bis der Strom, der durch den gesteuerten Gleichrichter fließt, auf Null fällt. Zu gleicher Zeit erhält der steuerbare Gleichrichter für eine genügend lange Zeit eine Spannung in Sperrichtung, so daß er in den gesperrten Zustand übergeht. Die Zeit, die dazu nötig ist, damit sich der Strom im Resonanzkreis umkehrt, bestimmt also die Impulsbreite des Gleichstromzerhackers und ist durch die Grenzen der Induktion (VoltSekunden) in der vormagnetisierten " Drossel T1 begrenzt.

Die an die Drossel T1 angelegte Spannung bleibt für eine große Zeitdauer, während deren der steuerbare Gleichrichter leitend ist, konstant und entspricht der Kondensatorspannung des Kondensators C1, insbesondere der Spannung der Gleichspannungsquelle. Daher ist die Impulsbreite des Zerhackers umgekehrt proportional der Spannung der Gleichspannungsquelle, und die mittlere Ausgangsspannung des Zerhackers vor dem PiI-terkreis ist unabhängig von der Eingangsgleichspannung.

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Beim Ausgang des Zerhackers ist die Diode D1 parallel geschaltet, wodurch verhindert wird, dat; die Ausgangsspannung durch die Induktionsströme in den Stromkreisen, welche die Zerhackerlast darstellen, insoesondere in dem Filter L2 und C2 und im Wechselrichter, umgekehrt wird. Die Widerstands -Kapazitätsschaltungen R3 C8, R2 C7 und R4 C9 bilden einen Überspannungsschutz.

Die am Ausgang des Reglers erhaltene gesteuerte und geglättete Gleichspannung wird dem wechselrichter zugeführt, der den üblichen Aufbau hat. Zwei gesteuerte Gleichrichter SCR2 und SCR3 werden abwechselnd geöffnet und gesperrt mittels einer ^ Rechteckspannung von einem stabilen Oszillator, der in Gegentakt an die Steuerelektroden 14, 15 und 16 angeschaltet ist. Die Rechteckausgangsspannung des tYechselrichters passiert dann das Filter 3_} bestehend aus der Induktivität L4 und den Kapazitäten C4 und C5, so daß am Ausgang eine Sinusspannung erhalten wird.

Bei der Schaltungsanordnung nach Figur 4 ist die an den Anschlüssen 17 und 18 auftretende Ausgangswechselspannung, die gesteuert werden soll, an den Transformator 13 angelegt, wo die Spannung vermindert und durch den Brückengleichrichter D5 gleichgerichtet und mit dem Glättungskreis C11, R6, C12 geglättet wird. Die erhaltene geglättete Gleichspannung ist ™ proportional dem Wert der Ausgangsweehselspannung und liegt an einem Potentiometer P2, welches ein Mittel darstellt, mit dem die Spannungsgröße, die gemessen werden soll, verändert werden kann, und mit dem also die Größe der Ausgangsweehselspannung verändert werden kann. Diese Spannung wird mit einer Bezugsgleichspannung an der Zenerdiode D9 verglichen, und wenn hier eine Differenz auftritt, wird eine Fehlerspannung an dem Potentiometer P1 in solcher Weise erzeugt, daß wenn die Größe der gesteuerten Variablen größer ist als die Bezugsspannung, die positive Vorspannung am Eingang des Transistors Q1 des Gleichspannungsverstärkers 7 ansteigt. Die Schaltung besteht aus den Potentiometern P1, P3 und P4, den

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Widerständen R9 bis R15 und den Kondensatoren C13t C14 und C15» welche eine otabilisierungsschaltung bilden, wobei eine Punktion der Fehlerspannung gebildet wird, welche proportionale, integrale und differentielle Teile enthält, welche an den Gleichspannungsverstärkerkn solcher Weise angelegt werden, daß das ganze geschlossene System gegen Störungen von innen und außen stabil ist, wie z.B. bei einer plötzlichen Belastungsschwankung oder einer Schwankung der Eingangsgleichspannung. Die potentiometer P1, P3 und P4 sind die Mittel, mit denen diese Punktion verändert werden kann, um das Wechselrichtersystem oder auch andere Systeme in einem weiten Bereich zu stabilisieren, wobei der Regler zur Steuerung verwendet wird. Der Kondensator C15 verzögert die Erzeugung und vermindert die Anstiegsrate der Impulsfrequenz, die durch den Impulsgenerator erzeugt wird, wenn das ganze System eingeschaltet wird, so daß die Überspannung beim Einschalten begrenzt wird.

.Venn die positive Vorspannung an der Basis des Transistors Q1 ansteigt, wird der Transistor Q1 besser leitend, wodurch die Vorspannung an der Basis des Transistors Q2 vermindert wird, und wodurch dieser Transistor schlechter leitend wird. Dadurch wird die negative Vorspannung an der Basis des Transistors 43 vermindert, wodurch dieser Transistor weniger leitend «ird, so daß ein geringerer Strom an den Emitter des Unijunction-Transistors w4 gelangt. Zwischen den Emittern von v,3 bis -i1 besteht eine Rückkopplung in der Weise, daß der Ausgangsstrom aea SleichstromverstärKers beim Kollektor von ^3 gleich der Einganjjsspannun? an der Basis von Q1 multipliziert mit einer negativen Konstanten ist, die größtenteils eine PunKtion der Widerstände R23_f R22 und R18 und in geringerem Maße der Verstärkung der Transistoren Q1, Q2 und Q3 ist, die sich ändern kann.

Die Diode D10 im Emitterkreis des Transistors Q1 ist ein Mittel, mit dem der Gleichspannungsverstärker gegen Temperaturschwankungen stabilisiert wird,

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In dem Impulsgenerator 8 wird ein Unijunction-Transistor Q4 verwendet. Der Strom aus dem G-leichspannungsverstärker lädtden Kondensator C16 auf. Wenn die Emitterspitzenspannung erreicht ist, springt der Widerstand zwischen Emitter und

: Basis B2 von einem hohen Wert auf einen sehr niedrigen Wert. So kann die Ladung des Kondensators C16 über den leitenden Transistor Q6 dem Impulsverstärker Q5 zugeführt werden, wobei der Kondensator C16 schnell entladen wird, so daß sich ein Stromimpuls von kurzer Dauer ergibt. Wenn C16 entladen

■ ist, steigt der Emitterbasiswiderstand B2 wieder auf seinen hohen Wert, und C16 lädt sich wieder auf. Angenommen der Transistor Q6 bleibt leitend, dann hängt die Zeit, in der sich dieser Zyklus von selbst wiederholt, von dem Strom ab, den P der Gleichspannungsverstärker liefert. Wenn daher der vom Verstärker gelieferte Strom absinkt, infolge eines Ansteigens der Wechselstromausgangsspannung des Wechselrichters, so fällt die Frequenz des Impulsgenerators ab.

Die Torschaltung 9 besteht aus den Transistoren Q6 und Q7, welche einen Schmitt-Trigger bilden und ist zwischen den Ausgang des Impulsgenerators und den Impulsverstärker eingeschaltet, so daß der Ausgang des Impulsgenerators übersteuert wird. Wenn die Basis von Q7 eine positive Spannung von einigen Volt erhält, wird Q6 nichtleitend. Zweck der Torschaltung ist ein Schutz gegen einige begrenzende Bedingungen, die innerhalb oder außerhalb des Wechselrichtersystems auftreten " können, wie z.B. eine Überlastung des Zerhackers oder eine Überlastung am Ausgang. Sie bildet außerdem einen Schutz gegen eine Durchschaltung des Zerhackers während der kriti schen Umschaltzeit des gesteuerten Gleichrichters. Dies wird dadurch erreicht, daß der kommutierende Kondensator C1 und die Induktivität T1 mittels des Anschlusses 19, der Diode D17 und dem Widerstand R30 an die Basis von Q7 angeschlossen ist. Wenn daher die untere Platte des Kondensators C1 positiv wird, wird Q6 nichtleitend, und es kann kein Impuls durch den Impulsverstärker Q5 an die Steuerelektrode des steuer-

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baren Gleichrichters gelangen. Die untere Platte von C1 wird nicht negativ, bis die Umschaltung von SCR1 erfolgreich beendet ist. Durch diese Verbindung wird auch sichergestellt, daß zu Beginn des Einsehaltzyklus des Zerhackers der Kondensator C1 auf die Spannung der Gleichspannungsquelle voll aufgeladen ist, was nötig ist für eine erfolgreiche Kommutierung, so daß das maximale Verhältnis von Durchschaltzeit zu Sperrzeit verfügbar ist. Dieses wird benötigt, da die Pulsbreite infolge der Änderung der Gleichspannungsquelle oder der Parameter des Umschaltkreises sich ändern kann. Eine Überlastung des Ausgangs wird durch die gleiche Torschaltung 9 verhindert, wobei der Laststrom, der durch den Transformator T5 fließt, durch den Brückengleichrichter D20 gleichgerichtet und durch C21, R38 und C22 geglättet wird. Dieser geglättete Ausgangsstrom wird an den Transistor Q7 über die Diode D19 und den Isolationswiderstand R29 angelegt.

Der beschriebene Wechselrichter stellt jedoch nur eine Anwendung des Reglers 1 nach Figur 1 dar. Der Wechselrichter 2 und der Filterkreis 3 in Figur 2 können durch jede andere Vorrichtung ersetzt werden, die aus einer geregelten Gleichstromquelle gespeist werden muß, um eine Regelung am Ausgang zu erhalten. Die Ausgangsvariable, welche geregelt werden soll, wird in eine Gleichspannung verwandelt, die einem Komparator und Stabilisierungskreis 5 .über die Zuleitung 20 zugeführt wird.

Solche geregelten Gleichstromausgänge werden beispielsweise für die Regelung von Gleichstrommotoren benötigt, wo die geregelte Variable z.B. die Rotationsgeschwindigkeit oder das Drehmoment darstellt oder bei Gleichspannungswandlern, wo die geregelte Variable die Spannung oder der Strom sein kann.

Anlagen ;

7 Patentansprüche
3 Bl. Zeichnungen

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Claims (7)

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   Patentansprüche ι

   Schaltungsanordnung zur Gleichstromversorgung mit geregeltem Ausgang, dadurch gekennzeichnet, daß aus einer Gleichstromquelle ein Zerhacker gespeist wird, daß die Impulslänge der Zerhackerimpulse umgekehrt proportional der Spannung der Gleichstromquelle ist, daß der Zerhacker seinerseits mit Impulsen gesteuert wird, deren frequenz Ton dem Ausgangsstrom und/oder der Auegangsspannung des Zerhaokere oder einer variablen Größe der ron der Anordnung gespeisten Vorrichtung abhängt.
2. 2.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zerhacker mit einem gesteuerten Halbleitergleichrichter arbeitet.
3. 3«) Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum gesteuerten Halbleitergleichrichter ein Resonanzkreis aus einer Eeihensehaltung einer Induktivität und einer Kapazität parallel geschaltet ist.
4. 4«) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Zerhaoker von Impulsen eines Impulsgenerators gesteuert wird und die Impulsfrequenz sowohl von der Abweichung der Ausgangsspannung des Zerhackers als auch τοη der Abweichung der Auegangsspannung einer an den Zerhacker angeschlossenen Vorrichtung τοη einer Beaugespannung abhängt.
5. 5.) Schaltungsanordnung naoh Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Zerhaoker und der daran angeschlossenen Vorrichtung eine Glättungasohaltung angeordnet ist.

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6. 6.) Weohselriohteraohaltung unter Verwendung einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bie 5, dadurch gekenneeiohnet, da£ der Zerhaokerauagang an einen mit steuerbaren Halbleiterglelchriohtern arbeitenden Weohaelriohter angeschlossen iat·
7. 7.) Weoheelrichterachaltung naoh Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß xwischen dem äeohselriohter und des Verbraucher eine Qlättungsschaltung angeordnet ist·

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