DE1513736C3 - Wechselrichter - Google Patents

Description

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Primärentwicklung des Energierückführtransforma- F i g. 9 ein Schaltbild eines vierten Ausführungstors in einen Strompfad legen soll, der gemeinsam beispiels eines Wechselrichters nach der Erfindung,
dem Rückfluß von Energie sowohl aus der Umschalt- Die in F i g. 1 gezeigte bekannte Schaltung entdrossel als auch aus der Last dient. Gerade diese all- spricht einer Phase eines Dreiphasenwechselrichters gemeine Anweisung läßt es fernliegend erscheinen, 5 oder einem einphasigen Wechselrichter. Gleichstromin den Rückführungsstrompfad Schaltelemente aus energie wird von einer Batterie oder einer anderen der anderen Hälfte der Schaltung einzubeziehen, die Gleichstromquelle mit der angegebenen Polarität über an sich nicht von den Rückströmen in der betrachte- Eingangsleitungen 20 und 21 der Schaltung zugeführt, ten einen Hälfte der Schaltung durchflossen werden. Durch das abwechselnde Leitendwerden von gesteuer-

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen konnten na- io ten Halbleiter-Schaltelementen 22 und 23 wird in turgemäß auch nicht durch andere bekannte Wechsel- einem durch eine Ausgangsleitung 24 angedeuteten richter nahegelegt werden, bei denen überhaupt keine Ausgangskreis Wechselstromenergie erzeugt. Jedes Rückführung von Umschaltenergie stattfindet. So ist der gesteuerten Halbleiter-Schaltelemente 22, 23 ist es beispielsweise bekannt (französische Patentschrift als gesteuerter Siliziumgleichrichter dargestellt, mit 1 358 647, AEG-Mitteilungen 54 [1964], Nr. 1/2, 15 einer Anode 22 α bzw. 23 a, einer Kathode 22 c bzw. Seiten 89 bis 96), den gesteuerten Halbleiter-Schalt- 23 c und einer Steuerelektrode 22 g bzw. 23 g. An elementen antiparallel geschaltete Dioden zuzuschal- die mit den Steuerelektroden 22 g und 23 g verbündeten, die die gesteuerten Halbleiterelemente gegen nen Leiter 25 und 26 werden wie üblich die in hier unzulässig hohe Umschalt-Überspannungen schützen nicht näher dargestellten Steuerstromkreisen erzeug- und einen Rückfluß von Energie von der Last zur 20 ten Steuersignale angelegt. Der gezeigte Wechselrichter Gleichspannungsquelle ermöglichen, und zwar je nach weist zwei getrennte Wicklungen 27 und 28 auf, die der gewählten Schaltung auch über die jeweils un- zusammen eine Umschaltdrossel 30 bilden. Diese beibenutzte Hälfte der Umschaltdrossel; dies stellt aber den Wicklungen sind zwischen der Kathode 22 c des dort keinen besonderen Vorteil dar und ergibt sich gesteuerten Halbleiter-Schaltelements 22 im oberen als in Kauf genommene Folge der Tatsache, daß im 25 Stromkreis des Wechselrichters und der Anode 23 a Sinne des angestrebten Schutzes der gesteuerten Halb- des gesteuerten Halbleiter-Schaltelements 23 im unleiterschalter gegen Überspannung die Dioden jeweils teren Stromkreis des Wechselrichters eingeschaltet, direkt an das zu schützende gesteuerte Halbleiter- Die beiden Wicklungen 27 und 28 der Umschalt-Schaltelement angelegt sind. drossel 30 sind über einen gemeinsamen Kern magne-

Auch die Tatsache, daß bei anderen bekannten 30 tisch miteinander gekoppelt. Weiter sind zwei Kom-Wechselrichtern (französische Patentschrift 1 364 848) mutierungskondensatoren 31 und 32 vorgesehen, die zusätzliche Drosselspulen in Reihe mit den Rück- zwischen die Leiter 20 bzw. 21 und die durch den Stromdioden vorgesehen sein können, kann die vor- gemeinsamen Anschluß der Wicklungen 27, 28 geliegende Erfindung nicht nahelegen; denn die Ein- bildeten Mitte der Umschaltdrossel 30 geschaltet sind, fügung dieser zusätzlichen Drosselspulen steht in 35 Diese Kondensatoren haben die Aufgabe, beim Leikeinerlei Beziehung mit dem Problem einer Energie- tendwerden eines der Halbleiter-Schaltelemente rücklieferung aus der Umschaltdrossel, — vielmehr schnell Energie an die Last und in die angeschlossollen diese zusätzlichen Drosselspulen lediglich den sene Wicklung (27 oder 28) abzugeben. Hierzu kön-Zweck haben, eine gewisse Restinduktivität im nen auch andere Mittel, z. B. das Einschalten einer Kreis auch dann noch beizubehalten, wenn eine 40 Hilfsenergiequelle geeigneter Polarität, dienen. Weiim Kreis liegende selbstsättigende Drosselspule den ter sind, wie üblich, Dioden 33 und 34 als Rück-Sättigungszustand erreicht hat. Ein Zusammenhang Stromdioden vorgesehen, die in Reihe zwischen die mit den Problemen, mit denen sich die vorliegende Eingangsleitungen 20 und 21 geschaltet und an ihrem Erfindung beschäftigt, besteht also nicht. gemeinsamen Anschluß mit der Mitte der Umschalt-

In Ausgestaltung der Erfindung kann in Reihe 45 drossel 30 verbunden sind. Da die über die Aus-

mit jeder Primärwicklungshälfte eine mit der Um- gangsleitung 24 angelegte Last häufig eine induktive

schaltdrossel induktiv gekoppelte Zusatzspule vorge- Last, z. B. ein Motor, ist, wird der Laststromfluß

sehen sein; dadurch wird die Belastung der gesteuer- noch für eine kurze Zeitspanne in derselben Richtung

ten Halbleiter-Schaltelemente durch die auf die aufrechterhalten, nachdem bereits das eine oder das

Umschaltenergie zurückgehenden Rückstromanteile 50 andere der beiden gesteuerten Halbleiter-Schaltele-

weiter verringert. mente gesperrt worden ist. Für diesen Fall bilden die

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Aus- beiden Dioden 33 und 34 einen Hilfspfad für einen

führungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnun- solchen kurzen Stromfluß nach dem Abschalten des

gen näher beschrieben. Es zeigt einen und dem Einschalten des anderen gesteuerten

Fig. 1 das Schaltbild eines bekannten Wechsel- 55 Halbleiter-Schaltelements,

richters mit einer Energierückführungsschaltung, Der Wechselrichter nach F i g. 1 ist mit einer

F i g. 2 und 3 zwei Strom-/Zeitdiagramme zur Er- Energierückführungsschaltung 35 versehen, durch

läuterung der Schaltung nach Fig. 1, die die Belastbarkeit erhöht wird. Diese Schaltung

F i g. 4 das Schaltbild eines Wechselrichters gemäß enthält einen Energierückführungs-Transformator 36

der Erfindung, 60 mit einem Kern 37 und einer Primärwicklung 38, die

F i g. 5 ein Strom-/Zeitdiagramm zur Erläuterung den gemeinsamen Anschluß der Dioden 33, 34 mit

der Schaltung nach F i g. 4, der Mitte der Umschaltdrossel 30 verbindet. Die Se-

F i g. 6 das Schaltbild eines weiteren Ausführungs- kundärwicklung 40 des Transformators 36 ist zwi-

beispiels eines Wechselrichters nach der Erfindung, sehen den gemeinsamen Anschluß zweier in Reihe

F i g. 7 das Schaltbild eines dritten Ausführungs- 65 geschalteter Trenndioden 41 und 42 geschaltet. Diese

beispiels eines Wechselrichters nach der Erfindung, Trenndioden sind mit je einer der Eingangsleitungen

F i g. 8 eine zur Erläuterung des Wechselrichters 20 bzw. 21 verbunden. In der Praxis ist der Trans-

nach F i g. 7 dienende Schaltung und formator 36 vorzugsweise ein Spartransformator (wie

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dargestellt), um gleichzeitig maximale Wirtschaftlich- Diode 34 enthält. Die Umschaltenergie wurde hauptkeit und minimale räumliche Abmessungen zu er- sächlich durch Erwärmung des Halbleiter-Schaltelereichen, ments 23 und der Diode 34 vernichtet. Da die ther-

Die Schaltung sei zunächst unter der Annahme be- mische Belastbarkeit des gesteuerten Halbleitertrachtet, daß die Energierückführungsschaltung 35 5 Schaltelements 23 begrenzt ist und ein wesentlicher nicht vorhanden, das heißt zwischen dem gemein- Teil der Belastung von der durch die Rückführung samen Anschluß der Kondensatoren 31 und 32 und der Umschaltenergie entstehenden Verlustwärme andern gemeinsamen Anschluß der Dioden 33 und 34 statt von der allein auf Grund des Laststroms entein Kurzschluß vorhanden ist. Ist das gesteuerte Halb- stehenden Verlustwärme geliefert wird, ist diese herleiter-Schaltelement 22 leitend, so fließt Strom von io kömmliche Abführung der Umschaltenergie verder Eingangsleitung 20 durch das Halbleiter-Schalt- schwenderisch, verschlechtert den Wirkungsgrad und element 22, die Wicklung 27 der Umschaltdrossel und bringt höhere Kosten und größere bauliche Abmesüber die Ausgangsleitung 24 an die Last. Unter diesen sungen pro Kilovoltampere des Wechselrichters mit Bedingungen ist der Kondensator 31 praktisch kurz- sich. Die Erwärmung, die durch die Abführung der geschlossen, das heißt, er speichert keine Ladung. Zu 15 Umschaltenergie durch Umlauf durch das Halbleiterdiesem Zeitpunkt liegt auch im wesentlichen die ge- Schaltelement 23 und die Diode 34 entsteht, ist in samte Batterie- oder Eingangsgleichspannung zwi- F i g. 2 durch die kreuzschraffierte Fläche zwischen sehen den Leitungen 24 und 21. Folglich wird der den Zeiten J₁ und i₂ angedeutet. In dem Ausmaß, Kondensator 32 etwa auf die zwischen den Leitungen in dem die kreuzschraffierte Fläche reduziert werden 20 und 21 liegende Spannung aufgeladen. 20 kann, wird die durch die herkömmliche Abführung

Wird ein geeigneter Steuerimpuls über den Leiter 26 der Umschaltenergie hervorgerufene Erwärmung der

an die Steuerelektrode 23 g des gesteuerten Halbleiter- Halbleiter-Schaltelemente reduziert, was eine ent-

Schaltelements 23 gelegt, so wird dieses sofort leitend sprechende Erhöhung der Belastbarkeit des Wechsel-

und bildet einen Leitpfad für den Stromrückfluß von richters bedeutet.

der Last zurück über die Ausgangsleitung 24, die Wick- 25 Die Verlustwärme bei der Abführung der Um-Iung28 und das gesteuerte Halbleiter-Schaltelement schaltenergie wird durch die Energierückführungs-23 zur Eingangsleitung 21. Dadurch beginnt sich schaltung 35 erheblich verbessert. Die Primärwickder Kondensator 32 sofort über die Wicklung 28 und lung 38 ist in den Pfad für die Abführung der Umdas Halbleiter-Schaltelement 23 zu entladen. Im schaltenergie eingefügt, und der Transformator 36 ist ersten Augenblick ist der in der Wicklung 28 fließende 30 so ausgelegt, daß während des Energieabflusses aus Strom gleich dem Strom, der in der Wicklung 27 der Umschaltdrossel Energie über diesen Transforgerade vor dem Umschalten floß und der magnetisch mator und über die Dioden 34, 41 oder 33, 42 an auf die Wicklung 28 übertragen wurde. Dieser an- den Eingangsstromkreis zurückgeleitet wird und die fängliche Strom in der Wicklung 28 der Umschalt- für die Energieabführung erforderliche Zeitspanne drossel wird durch die Entladung des Kondensators 35 wesentlich verkürzt wird. Durch diese Energierück-32 wesentlich verstärkt, während die Umschaltenergie führungsschaltung 35 wird aber nicht nur diese Zeitan die Wicklung 28 der Drossel abgegeben wird, so spanne, sondern auch die Größe der Erwärmung des daß ein schnell ansteigender Strom entsteht, wie Halbleiter-Schaltelements 23 bzw. 22 und der Diode dies in F i g. 2 zwischen t₀ und i_t erkennbar ist. Auf 34 bzw. 33 bedeutend reduziert, was durch die Grund der magnetischen Kopplung der Wicklungen 40 kreuzschraffierte Fläche zwischen den Zeiten I₁ und 28 und 27 der Umschaltdrossel wird die an der f₃ in Fig. 3 dargestellt ist. Dennoch ist ein hoher Wicklung 28 liegende Spannung ungefähr verdoppelt; Stromfluß durch die Wicklung 28 zur Zeit J₁ und dies erzeugt an der Kathode 22 c des Halbleiter- unmittelbar danach immer noch vorhanden, und Schaltelements eine Spannung geeigneter Amplitude es ist somit genügend Spielraum für eine weitere und Polarität, um dieses Halbleiter-Schaltelement 45 Verbesserung der Energierückführungsschaltung geabzuschalten und für einen Zeitraum abgeschaltet geben.

zu halten, der länger ist, als er für dieses Halbleiter- Gemäß der Erfindung wird eine neuartige Energie-Schaltelement erforderlich wäre, um sich zu erholen rückführungsschaltung verwendet, um einen Hilfsleit- oder in den nichtleitenden Zustand zurückzukehren. pfad für den Stromfluß durch die Wicklung 28 wäh-Es ist ersichtlich, daß diese bekannte Verwendung 50 rend der Zeit zu schaffen, in der Umschaltenergie von der Umschaltdrossel für die Umschaltung nach der dieser Wicklung abgeführt wird. Durch diesen HilfsÜbertragung des Stroms von der Wicklung 27 auf leitpfad ist eine zusätzliche Wicklung in Reihe mit der die Wicklung 28, wenn das gesteuerte Halbleiter- Wicklung 28 geschaltet, und diese zusätzliche Wick-Schaltelement 22 abgeschaltet ist, während des Um- lung ist magnetisch mit der Wicklung 28 gekoppelt, schaltzeitraums keinen Stromfluß durch die Wick- 55 Die in dem Hilfsleitpfad vorgesehene zusätzliche lung 27 erzeugt, sondern daß Strom nur durch den Wicklung kann die andere Wicklung 27 der Umschaltleitenden Kopplungspfad einschließlich der Wicklung drossel 30 einschließen, da diese Wicklungen magne-28 der Umschaltdrossel bis zu der Eingangsleitung 21 tisch über einen Kern gekoppelt sind. In den bekannfließt, ten Wechselrichteranordnungen führt die Wicklung 27

Wie F i g. 2 zeigt, ist zur Zeit ti die ganze Um- 60 nach dem Abschalten des gesteuerten Halbleiterschaltenergie aus dem Kondensator 32 (oder einer Schaltelements 22 während des Umschaltzeitraums anderen geeigneten Quelle) in der Wicklung 28 der keinen Strom, sondern empfängt nur in der zuvor be-Umschaltdrossel gespeichert, und die Höhe des Strom- schriebenen Weise die induzierte Spannung von der flusses durch diese Wicklung ist gerade im Abnehmen Wicklung 28, um das Abschalten des gesteuerten begriffen. Bei den meisten früheren Wechselrichter- 65 Halbleiter-Schaltelements 22 zu unterstützen. Es ist anlagen wurde die Umschaltenergie durch fortwähren- festzustellen, daß die Energierückführungsschaltung des Umlaufen in einem Pfad vernichtet, der die Wick- ferner an die Eingangsleitungen 20, 21 gekoppelt ist, lung 28, das Halbleiter-Schaltelement 23 und die um die Umschaltenergie von der Wicklung 28 mit

möglichst geringem Stromfluß über den das gesteuerte Halbleiter-Schaltelement 23 und die Diode 34 enthaltenden Leitpfad an den Eingangsstromkreis zurückzuführen.

Diese periodische oder zyklische Rückführung der Umschaltenergie (zuerst von der einen Wicklung der Umschaltdrossel, dann von der anderen, usw.) durch den Hilfsleitpfad wird in Verbindung mit F i g. 4 beschrieben werden. Die F i g. 4 zeigt eine Energierückführungsschaltung 46, die einen Transformator 47 mit einer Primärwicklung 48 und einer mittig angezapften Sekundärwicklung 49, eine erste Diode 50 und ein Paar von Trenndioden 51 und 52 zeigt. Ein Hilfsleitpfad für die Rückführung der Umschaltenergie verläuft von der Wicklung 28 über das gesteuerte Halbleiter-Schaltelement 23, die Leitung 21, die Diode 50, die Primärwicklung 48 des Transfermators 47 und über die Wicklung 27 zurück zur Wicklung 28. Die Mitte der Sekundärwicklung 49 ist mit der Eingangsleitung 21 und die Enden der Sekundärwicklung 49 sind über die Trenndioden 51 und 52 mit der anderen Eingangsleitung 20 verbunden. Das zweite gesteuerte Halbleiter-Schaltelement 22, die Ausgangsleitung 24 und die Kondensatoren 31, 32 entsprechen der Schaltung nach F i g. 1.

Die Energiemenge, die in dem magnetischen Kreis cinschläeßlich der Wicklung 28 bei der Rückführung der Umschaltenergie unmittelbar vor der Umkehrung der Polarität an dieser Wicklung gespeichert ist, steht in Beziehung zu ΝΦΙ, wobei N die Anzahl der Windungen der Wicklung 28, Φ den maximalen Fluß. der erzeugt wird, wenn die gesamte Umschaltenergie in die Wicklung 28 gegeben wird, und / den Spitzenstrom bezeichnet, der zu diesem Zeitpunkt durch die Wicklung 28 fließt. Die Wicklungen 27 und 28 sind magnetisch gekoppelt, so daß diese Energie tatsächlieh in der gesamten Umschaltdrossel 30 gespeichert wird, obwohl Strom nur durch die Wicklung 28 fließt. Nach der Spannungsumkehr an der Wicklung 28 und sobald die Rückführung der Umschaltenergie beginnt (Zeit I₁ in Fig. 5), beginnt Strom zu fließen von der Wicklung 28 über das gesteuerte Halbleiter-Schaltelement 23 und über den Hilfsleitpfad mit der Diode 50, der Wicklung 48 und der anderen Wicklung 27 der Umschaltdrossel 30 zurück zur Wicklung 28. Somit ist tatsächlich die Anzahl der Windungen verdoppelt worden, da die Windungen der Wicklung 27 in Reihe mit den Windungen der Wicklung 28 zugeschaltet sind, während die Größe des Flusses Φ konstant geblieben ist. Da die gespeicherte Energie gerade vor der Polaritätsumkehr und gerade nach dieser dieselbe sein muß, verringert sich der durch die Wicklung 28 und das gesteuerte Halbleiter-Schaltelement 23 fließende Strom sofort auf die Hälfte seines ursprünglichen Wertes (bei Leerlaufbedingungen). Dieser plötzliche und beträchtliche Abfall des Umschaltstroms ist in Fig. 5 angedeutet, und die durch das Rückführen der Umschaltenergie hervorgerufene Erwärmung des gesteuerten Halbleiter-Schaltelements 23 wird daher drastisch verringert. Die Umschaltenergie wird bei der Rückführung über den Transformator 47 geführt, in einer der Trenndioden 51 und 52 gleichgerichtet und in die Leitungen 20, 21 des Eingangsstromkreises zurückgeführt. Folglieh wird nicht nur die Erwärmung des gesteuerten Halbleiter-Schaltelements 23 bedeutend verringert, sondern die in dem Umschaltprozeß benutzte Energie wird wiedergewonnen für nachfolgende Verwendung bei dem zyklischen Aufladen der Kondensatoren 31, 32 und deren darauffolgender Entladung während jeder Arbeitsperiode des Wechselrichters.

F i g. 6 zeigt eine andere Ausführungsform, die von der in F i g. 4 gezeigten dadurch abweicht, daß eine Energierückführungsschaltung 55 verwendet wird, in der ein Transformator 56 mit zwei Primärwicklungshälften 48', 57 angeordnet ist. Das untere Ende der Wicklung 57 ist an den gemeinsamen Anschluß zwischen dem gesteuerten Halbleiter-Schaltelement 23 und der Wicklung 28 der Umschaltdrossel 30 geschaltet, und das obere Ende der Wicklung 57 ist über eine Diode 58 mit der Eingangsleitung 20 verbunden. Wenn das gesteuerte Halbleiter-Schaltelement 22 eingeschaltet ist, wird ein Hilfsleitpfad gebildet, der sich von der Wicklung 27 über die Wicklung 28 der Umschaltdrossel, die Diode 58, die Primärwicklung 57, die Eingangsleitung 20 und das gesteuerte Halbleiter-Schaltelement 22 zurück zur Wicklung 27 erstreckt. Die andere Primärwicklungshälfte 48' entspricht der Primärwicklung 48 der Fig. 4; wie dort ist ihr unteres Ende über eine Diode 50 an die Eingangsleitung 21 angeschlossen. Die Sekundärwicklung49 und die Trenndioden 51, 52 entsprechen Fig. 4. Die Arbeitsweise dieser Schaltung während abwechselnder Halbperioden geht ohne weiteres aus den vorstehend im Zusammenhang mit F i g. 4 gegebenen Erläuterungen hervor.

In F i g. 7 ist eine Ausführungsform dargestellt, die sich besonders für den kommerziellen Gebrauch eignet. Die dort verwendete Energierückführungsschaltung 60 weist einen Transformator 61 auf, der zwei Primärwicklungshälften 62 und 63 und eine Sekundärwicklung 64 hat. Ein Ende der Sekundärwicklung 64 ist mit dem gemeinsamen Anschluß zwischen den Kondensatoren 31, 32 und den Wicklungen 27. 28 der Umschaltdrossel 30 verbunden, während das andere Ende der Sekundärwicklung 64 wie dargestellt über Trenndioden 41 und 42 an die Eingangsleitungen 20 bzw. 21 angeschlossen ist. Ein Ende der Primärwicklungshälften 62 ist über eine Diode 65 mit der Eingangsleitung 21 und das andere Ende dieser Primärwicklungshälfte 62 mit dem gemeinsamen Anschluß zwischen der Wicklung 27 und dem gesteuerten Halbleiter-Schaltelement 22 verbunden. Die andere Primärwicklungshälfte 63 ist am einen Ende über eine Diode 66 mit der Eingangsleitung 20 und am anderen Ende mit dem gemeinsamen Anschluß zwischen der Wicklung 28 und dem gesteuerten Halbleiter-Schaltelement 23 verbunden. Die Schaltung der Kondensatoren 31, 32 und der Ausgangsleitung 24 entspricht Fig. 4.

Wenn während des Betriebs das gesteuerte HaIbleiter-Schaltelement 22 abgeschaltet und das gesteuerte Halbleiter-Schaltelement 23 eingeschaltet ist. wird die in dem Kondensator 32 aufgespeicherte Umschaltenergie schnell in die Wicklung 28 der Umschaltdrossel 30 abgegeben. Nach der Umkehrung der Polarität an der Wicklung 28 und dem Beginn der Rückführung der Umschaltenergie wird ein Hilfsleitpfad von der Wicklung 28 über das gesteuerte HaIbleiter-Schaltelement 23, die Leitung 21, die Diode 65, die Primärwicklungshälfte 62 und die Wicklung 27 zurück zu der Wicklung 28 der Umschaltdrossel geschlossen. Dieser Hilfsleitpfad enthält die Wicklungen 27 und 28, so daß die Wicklung 27 mit von dem Strom durchflossen wird, der die in dem magnetischen Kreis der Umschaltdrossel gespeicherte Energie ab-

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transportiert. Ein beträchtlicher Teil der über diesen soeben beschriebenen Hilfsleitpfad transportieren Energie wird durch magnetische Kopplung zu der Sekundärwicklung 64 des Transformators 61 und über eine der Trenndioden 41 und 42 (im betrachteten Moment ist es die Trenndiode 41) in den Eingangsstromkreis zurückgeführt. Es gibt ferner einen Leitpfad für die Energierückführung, wie noch in Verbindung mit F i g. 8 beschrieben werden wird. Der wechselweise Betrieb der beschriebenen Anordnung ist dem Fachmann leicht aus den vorhergehenden Beschreibungen und der Darstellung der Transformatorenanordnungen 38,40 in F i g. 1 ersichtlich. Weiterhin ist ersichtlich, daß die Dioden 65 und 66 die Rückführung von Reaktanzenergie als Rückstromdioden in gleicher Weise wie die Rückstromdioden in den früheren Stromkreisen besorgen.

F i g. 8 zeigt eine Ersatzschaltung für einen Teil der in F i g. 7 gezeigten Wechselrichterschaltung, wobei der verhältnismäßig kleine Spannungsabfall über dem gesteuerten Halbleiter-Schaltelement 23 beim Beginn der Rückführung der in der Wicklung 28 der Umschaltdrossel gespeicherten Energie vernachlässigt ist. Eine Eingangsgleichspannung E liegt an den Eingangsleitungen 20 und 21. Auf Grund der Richtung, in der die Diode 65 in den Stromkreis eingeschaltet ist, kann sie als Mittel zum Schließen eines Stromkreises angesehen werden, der nicht nur die Wicklung 28, an die die Umschaltenergie abgegeben worden ist (durch Entladen des angeschlossenen Kondensators oder auf andere Weise), sondern auch eine zusätzliche Wicklung (in dieser Ausführung die andere Wicklung 27) einschließt, die direkt nach dem Beginn der Rückführung der Umschaltenergie den Strom mit übernimmt und dadurch die Gesamtzahl der Windungen in dem Rückführstromkreis wirksam erhöht. Es ist ersichtlich, daß eine andere induktive Wicklung als die Wicklung 27 von der linken Seite der Primärwicklungshälfte 62 direkt mit der gemeinsamen Verbindung zwischen den Wicklungen 28 und 27 verbunden werden könnte, und daß die obere Wicklung 27 der Umschaltdrossel dann bei der Rückführung der Umschaltenergie nicht benutzt werden würde. Ein bedeutsamer Teil der Erfindung ist jedoch die Verwendung der oberen Wicklung 27 der gesamten Umschaltdrossel während der Zeit, in der die Umschaltenergie zurückgeführt wird, wohingegen vordem kein Stromfluß durch diese Wicklung 27 bestand, nachdem das gesteuerte Halbleiter-Schaltelement 22 abgeschaltet worden war.

Nachdem die Umschaltenergie in die Wicklung 28 überführt worden ist, beginnt die Größe des durch die Wicklung 28 fließenden Stroms abzunehmen, und die Polarität der an dieser Wicklung erscheinenden Spannung kehrt sich um. Durch die Diode 65, die Primärwicklungshälfte 62 und die Wicklung 27 beginnt ein Strom i_p zu fließen. Bei einem angenommenen Windungsverhältnis α zwischen der Primärwicklungshälfte 62 und der Sekundärwicklung 64 fließt durch die Sekundärwicklung 64 und die Trenndiode 41 ein Strom i_p/a zu der Eingangsleitung 20. Dadurch verbleibt ein Strom von/,, (1—Ma), der (bei Leerlaufbedingungen) in der Wicklung 28 fließt.

ίο Bei jedem praktischen Windungsverhältnis (und bei Leerlaufbedingungen) teilen sich die Ströme in den Wicklungen 28 und 27 ungefähr gleich auf, wobei in der Wicklung 28 ein etwas geringerer Strom fließt als in der Wicklung 27.

Bei der Schaltung nach F i g. 9 sind zwei Zusatzspulen 70 und 71 auf demselben Kern vorgesehen, der die Wicklungen 27 und 28 der Umschaltdrossel 30 magnetisch verkettet. Außerdem sind die Primärwicklungshälften 62, 63 und die Sekundärwicklung 64 des Energierückführungs-Transformators,die in Fig. 7 in enger Nachbarschaft dargestellt sind, hier in anderer Weise dargestellt; ihre elektrischen und magnetischen Funktionen sind jedoch genau dieselben wie bei der Schaltung nach Fig. 7. Demgemäß wird bei einer gegebenen Rücklieferung der Umschaltenergie, beispielsweise von der Wicklung 28, ein Leitpfad geschlossen, der sich von dem unteren Teil der Wicklung 28 über das gesteuerte Halbleiter-Schaltelement 23, die Eingangsleitung 21, die Diode 65, die Primärwicklungshälfte 62 des Energierückführungs-Transformators und der Zusatzspule 70 und der Wicklung 27 zur Wicklung 28 erstreckt. Analog erstreckt sich von der Wicklung 27 ein Hilfsleitpfad über das gesteuerte Halbleiter-Schaltelement 22, die Eingangsleitung 20, die Diode 66, die Primärwicklungshälfte 63, die Zusatzspule 71 und die Wicklung 28 zurück zur Wicklung 27. Die Schaltung der Kondensatoren 31, 32 der Sekundärwicklung 64, der Trenndioden 41, 42 und der Ausgangsleitung 24 entspricht der Fig. 7. Man erkennt sofort, daß durch die Einfügung von mehr Windungen in den Stromleitpfad, über den die Umschaltenergie zurückgeführt wird, bei Gleichbleiben der gerade vor und gerade nach dem Beginn der Energierückführung vorhandenen Energie, der Rückführstrom bei Leerlauf merklich unter den Wert erniedrigt werden kann, der bei der Ausführungsform nach F i g. 7 erzielt wird, das heißt erheblich unter denjenigen Wert, bei dem der Abfall oder die allmähliche Stromabnahme in Fig. 5 dargestellt ist. Die Spannungsbelastbarkeit der Dioden 65 und 66 muß erhöht werden, aber dies wird durch die gleichzeitige Abnahme des Stromflusses durch diese Dioden wettgemacht, so daß die Kosten dieser Komponenten annähernd konstant bleiben.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Nennleistung und der Wirkungsgrad des Wechselrich- Patentansprüche: ters erhöht werden. Die erwähnten Dioden im Pri märkreis des zur Energierückführung dienenden

1. Wechselrichter mit einer an eine Gleich- Transformators wirken in bekannter Weise als Rückspannungsquelle anzuschließenden Reihenschal- 5 führdioden und dienen zur Energierückführung von tung aus einem ersten gesteuerten Halbleiter- der Last zur Gleichspannungsquelle; dies ist insbe-Schaltelement, einer Umschaltdrossel, an deren sondere vorteilhaft für den meist vorliegenden Fall Mitte der Ausgangskreis angeschlossen ist, und einer induktiven Last. Die genannten Dioden bilden einem zweiten gesteuerten Halbleiter-Schaltele- bei Schaltungen ohne den beschriebenen Energierückment, je einem zwischen dem Ausgangskreis io führungs-Transformator zusammen mit den gesteuer- und einem der Pole der Gleichspannungsquelle ten Halbleiter-Schaltelementen Kurzschlußkreise für angeschlossenen Kondensator, und einer Energie- die in der Umschaltdrossel aufgebauten Energierückführungsschaltung, die einen zur Rückliefe- anteile; in diese Kurzschlußkreise sind die Primärrung von Umschaltenergie aus der Umschaltdros- Wicklungshälften des Energierückführungs-Transforsel dienenden Transformator aufweist, dessen jede 15 mators eingefügt, so daß die beim Energieabbau in Primärwicklungshälfte mit ihrem einen Ende mit der Umschaltdrossel aus dieser abfließenden Energieder Mitte der Umschaltdrossel und mit ihrem impulse über den Transformator und die an dessen anderen Ende über eine in Sperrichtung gepolte Sekundärwicklung angeschlossenen Trenndioden pol-Diode mit dem entsprechenden Pol der Gleich- richtig in die Gleichspannungsquelle geleitet werden. Spannungsquelle und dessen Sekundärwicklung 20 Bei der eben beschriebenen bekannten Wechselüber Trenndioden mit den Polen der Gleich- richterschaltung war nicht ohne weiteres zu erkennen, Spannungsquelle verbunden ist, dadurch ge- ob und wie noch weitere, über die beschriebenen Vorkennzeichnet, daß das eine Ende jeweils teile Verbesserungen mit vertretbarem Aufwand mögeiner Primärwicklungshälfte (48' bzw. 57; 62 bzw. Hch sein könnten. Dennoch geht die Erfindung von 63) an die Verbindungsleitung zwischen der Um- 25 der Aufgabe aus, eine weitere Verbesserung in einschaltdrossel (30) und demjenigen gesteuerten fächer Weise zu erzielen, also einen Wechselrichter Halbleiter-Schaltelement (22 bzw. 23) angeschlos- zu schaffen, der gegenüber bekannten Wechselrichtern sen ist, das an den nicht mit der Diode (50 bzw. der angegebenen Art bei ebenso einfachem Aufbau 58) verbundenen Pol der Gleichspannungsquelle und vergleichbaren Abmessungen und Gewichten eine angeschlossen ist (F i g. 4, 6, 7). 3° höhere Nennleistung bei besserem Wirkungsgrad er-

2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch möglicht.

gekennzeichnet, daß in Reihe mit jeder Primär- Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst mit

wicklungshälfte (62 bzw. 63) eine mit der Um- einem Wechselrichter der eingangs angegebenen Art. schaltdrossel (30) induktiv gekoppelte Zusatzspule der dadurch gekennzeichnet ist, daß das eine Ende (70 bzw. 71) vorgesehen ist (F i g. 9). 35 jeweils einer Primärwicklungshälfte an die Verbin

dungsleitung zwischen der Umschaltdrossel und demjenigen gesteuerten Halbleiter-Schaltelement ange-

schlossen ist, das an den nicht mit der Diode

verbundenen Pol der Gleichspannungsquelle ange-40 schlossen ist.

Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter mit Bei dem erfindungsgemäßen Wechselrichter ist in

einer an eine Gleichspannungsquelle anzuschließen- die Verbindung zwischen dem einen Ende einer beden Reihenschaltung aus einem ersten gesteuerten trachteten Primärwicklungshälfte und der Mitte der Halbleiter-Schaltelement, einer Umschaltdrossel, an Umschaltdrossel zusätzlich die bei der jeweiligen deren Mitte der Ausgangskreis angeschlossen ist, und 45 Halbwelle unbenutzte Hälfte der Umschaltdrossel einem zweiten gesteuerten Halbleiter-Schaltelement, eingeschaltet. Deren Induktivität bewirkt eine starke je einem zwischen dem Ausgangskreis und einem der Herabsetzung der auf die Umschaltenergie zurück-PoIe der Gleichspannungsquelle angeschlossenen Kon- zuführenden Anteile des Rückstroms und damit der densator, und einer Energierückführungsschaltung, Strombelastung der gesteuerten Halbleiter-Schaltdie einen zur Rücklieferung von Umschaltenergie aus 50 elemente wie auch der zur Rückstromableitung dieder Umschaltdrossel dienenden Transformator auf- nenden Dioden. Dadurch steigt bei gegebener Nennweist, dessen jede Primärwicklungshälfte mit ihrem belastbarkeit der gesteuerten Halbleiter-Schalteleeinen Ende mit der Mitte der Umschaltdrossel und mente die Nennleistung des Wechselrichters erheblich mit ihrem anderen Ende über eine in Sperrichtung an; so erhöht sich bei einem serienmäßigen gepolte Diode mit dem entsprechenden Pol der 55 Wechselrichtertyp durch die Anwendung der vor-Gleichspannungsquelle und dessen Sekundärwicklung liegenden Erfindung die Nennleistung von 70 kVA auf über Trenndioden mit den Polen der Gleichspan- 100 kVA, also um mehr als 40%. Besonders übernungsquelle verbunden ist. raschend ist es dabei, daß dieser beträchtliche Fort-

Ein Wechselrichter der beschriebenen Art ist aus schritt mit einer reinen Schaltmaßnahme, also ohne der schwedischen Patentschrift 195 003 (ausgelegt 60 Verwendung zusätzlicher Bauteile, erzielt wird,
am 6. 7. 1964) bekannt. Er bietet gegenüber anderen Es lag nicht nahe, in den Rückführungspfad vorbekannten Wechselrichtern den Vorteil, daß die bei handene Schaltelemente einzubeziehen, die an dem jeder Kommutierung in der Umschaltdrossel auf- Rückführvorgang selbst nicht beteiligt sind, weil sie gebaute Umschaltenergie weitgehend in die Gleich- in dem für die jeweils andere Halbwelle vorgesehenen Spannungsquelle zurückgeliefert und die Strombe- 65 Schaltungsteil liegen. Auch die allgemeine Lehre der lastung der gesteuerten Halbleiter-Schaltelemente und genannten schwedischen Patentschrift 195 003 legt der Dioden verringert wird, so daß bei gegebener eine derartige Maßnahme nicht nahe; denn diese all-Nennbelastbarkeit der Halbleiter-Schaltelemente die gemeine Lehre sagt ausdrücklich aus, daß man die