DE1638505B2 - Frequenzumformer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Frequenzumformer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein solcher ist bekannt aus der GB-PS 10 47 681. Besonders in deren Fig. 12 wird gezeigt, wie mit einer Gleichrichterbrücke und mit Resonanzkreisen eine niedrigere Frequenz in eine höhere Frequenz transformiert werden kann. Dabei ist vorausgesetzt, daß die Umformung nur in zwei Stufen mit verschiedenartigen Schaltmitteln stattfinden soll, wozu steuerbare Gleichrichter in der Brücke und eine sättigbare Drosselspule im Ausgangskreis vorgesehen sind. Auch ist die Ausgangsfrequenz durch einen Ausgangskreis festge· legt, der frei schwingt und der mit einer Frequenz angestoßen wird, die niedriger ist als die Resonanzfrequenz des Ausgangskreises.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten, stark vereinfachten, frequenzerhöhenden Umformer zu schaffen, wobei nur in der Brücke Schaltmittel verwendet werden und wobei mittels verschiedener schalttechnischer und Bemessungsmaßnahmen eine Leistung übertragen wird, stark veränderliche Belastungen des Umformers möglich sind und die Löschung der steuerbaren Gleichrichter kein'* zusätzlichen Maßnahmen erfordert

ίο Zur Lösung dieser Aufgabe werden die im kennzeichenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen vorgeschlagen.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung ergibt sich aus Anspruch 2.

Die Größe und der Charakter der Belastung haben nur wenig Einfluß auf die Arbeitsweise des Umformers, solange diese Belastung die Maximalleistung des Umformers nicht überschreitet Der Umformer eignet sich daher außergewöhnlich gut zum Speisen stark veränderlicher Belastungen, z. B. Belastungen mit dem Charakter einer Gegenspannungsquelle, wie des Anodenkreises eines Magnetrons, einer oder mehrerer gas- oder dampfgefüllter Entladungslampen, eines Elektromotors einer Akkumulatorenbatterie oder eines Gleichrichters mit Filter mit Eingangskondensator.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Frequenzumformers nach der Erfindung,
jo F i g. 2 ein Spannungs-Zeitdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise dieses Ausführungsbeispiels,

Fig.3 das Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels,

F i g. 4 ein Spannungs-Zeitdiagramm zur Erläuterung r> der Wirkungsweise des Ausführungsbeispiels nach F i g. 3, und

F i g. 5 das Schaltbild einer Abart des Ausführungsbeispiels nach F i g. 3.

Der Frequenzumformer nach Fig. 1 enthält vier gesteuerte Gleichrichter 1, 2, 3 und 4 in Form von gesteuerten Halbleitergleichrichtern oder Thyristoren und einen Generator 7, der über Transformatoren 8 und 9 diese Gleichrichter entsprechend einer gewünschten Ausgangsfrequenz steuert.

4> Die gesteuerten Gleichrichter 1 bis 4 liegen in einer Gleichrichterbrücke mit zwei Gleichstromkreisen, die je aus zwei miteinander in Reihe und in derselben Durchlaßrichtung geschalteten gesteuerten Gleichrichtern 1 und 4 bzw. 2 und 3 bestehen. Die Gleichspan- ><i nungsausgangspunkte dieser Brücke, die mit den Anoden der Gleichrichter 1 und 3 bzw. mit den Kathoden der Gleichrichter 2 und 4 verbunden sind, liegen an unterschiedlichen, untereinander nicht gekoppelten Drosselspulen 10 und 11, über die sie mit einem ■>■■> Ende eines Ausgangskreises verbunden sind.

Der Ausgangskreis besteht aus der Primärwicklung 12 eines Ausgangstransformators 13 mit einer Sekundärwicklung 14, aus einer Induktivität 15, die in Reihe mit der Primärwicklung 12 geschaltet ist und von der M) Streuinduktanz des Ausgangstransformators 13 gebildet werden kann, und aus einem Kondensator 16, der parallel mit der Reihenschaltung der Primärwicklung 12 und der Induktivität 15 liegt.

Das andere Ende des Ausgangskreises 12, 15, 16 ist

h'i mit dem Sternpunkt eines kapazitiven Netzwerkes verbunden, das aus zwei gleichen Kondensatoren 17 und 18 besteht und mit den gemeinsamen Punkten der gesteuerten Gleichrichter I₁ 4 bzw. 2, 3 der beiden

verschiedenen Gleichstromkreise der Gleichrichterbrücke verbunden ist. Die gemeinsamen Punkte der Gleichrichter 1 und 4 bzw. 2 und 3 sind andererseits je mit einer entsprechenden Klemme einer Wechselspannungsspeisequelle 20 verbunden, je über ein für die s Ausgangsfrequenz sperrendes und für die Speisefrequenz durchlassendes LC-Filter mit Längsinduktivitäten 21 und 22 und Querkondensatoren 24 und 27.

Ein aus eir.jm Kondensator 30 bzw. 31 in Reihe mit einem Widerstand 36 bzw. 37 bestehender Dämpfungs- ι ο kreis überbrückt den Gleichrichter 1 der Gleichrichter 1 und 3 und den Gleichrichter 2 der Gleichrichter 2 und 4, die mit je einer Drosselspule 10 bzw. Ii verbunden sind. Diese Dämpfungskreise schützen die gesteuerten Gleichrichter vor den hohen Gegenspannungsspitzen, iö die an den Drosselspulen beim Unterbrechen des dadurch fließenden Stromes erzeugt werden. Die gesteuerten Gleichrichter müssen vor diesen Spannungsspitzen geschützt werden, wozu aber zwei Dämpfungskreise genügen infolge der Anwesenheit der Kondensatoren ί 7, ίο und 24 hoher Kapazität.

Die mit der Sekundärwicklung 14 des Transformators 13 des Ausgangskreises verbundene Belastung ist eine Gleichrichterbrücke 42, mit deren Gleichspannungsausgangsklemmen der Kathoden-Anodenkreis eines Magnetrons 43, z. B. eines Hochfrequenzofens, verbunden ist.

Die Wechselspannungsspeisequelle 20 ist z. B. ein Wechselspannungsnetz von 220 Volt und 50 Hz und die der Gleichrichterbrücke 42 zugeführte Ausgangsspannung ist z. B. eine Spannung von 6000 Hz nominal. Der Ausgangskreis 12,15,16 bildet einen Parallelresonanzkreis. Er ist vorzugsweise annähernd auf diese Vorzugsausgangsfrequenz abgestimmt und bildet samt jeder der beiden Drosselspulen 10 und 11 einen Resonanzkreis, der auf eine höhere Frequenz als die gewünschte Ausgangsfrequenz abgestimmt ist, welche ihrerseits höher ist als die der Speisewechselspannung.

Der Steuergenerator 7 schwingt mit der gewünschten Ausgangsfrequenz und steuert abwechselnd mit dieser Wiederholungsfrequenz und über den Transformator 8 die beiden mit der Drosselspule 10 verbundenen Gleichrichter 1 und 3 und mit derselben Wiederholungsfrequenz und über den Transformator 9 die beiden mit der anderen Drosselspule 11 verbundenen Gleichrichter ■»·> 2 und 4. Hierdurch wird nur derjenige der beiden gesteuerten Gleichrichter (1 und 3 bzw. 2 und 4) stromleitend gemacht, dessen Kathode negativ bzw. dessen Anode positiv ist. Zum Beispiel, wie auf der ersten Zeile der Fig.2 dargestellt, werden die >o Gleichrichter 1 und 2 während einer ersten Halbwelle der Speisespannung abwechselnd stromleitend gemacht (schraffierte Flächen) und die Gleichrichter 3 und 4 während der nächsten Halbwelle abwechselnd stromleitend gemacht. «

Jedesmal, wenn einer der Gleichrichter 1 bis 4 stromleitend ist, wird der Parallelresonanzkreis 12, 15, 16 hierdurch und über die entsprechende Drosselspule 10 und 11 angeregt, so daß ein Wechselstrom /„ der Steuerfrequenz durch diesen Kreis aufrechterhalten oo wird, wie es auf der zweiten Zeile der F i g. 2 dargestellt ist, wo der jedesmal stromleitende Gleichrichter gleichfalls angedeutet ist.

Das aus den Längsinduktivitäten 21, 22 und den Querkondensatorer 24, 27 gebildete Filter unterdrück' *"> sämtliche in der von der Wechselspannungsspeisequelle 20 gelieferten Wechselspannung etwa vorhandenen Spitzen und verhütet, daß diese clic gesteuerten

JO

J5 Gleichrichter 1 bis 4 erreichen. Das Filter verhütet aber im wesentlichen, daß die erzeugte Ausgangsspannung höherer Frequenzen die Wechselspannungsspeisequelle 20 erreichen und stellt eine niedrige, kapazitive Querimpedanz für diese Ausgangsspannung dar.

Da der Ausgangskreis 12, 15, 16 samt der Drosselspule 10 oder samt der Drosselspule 11 einen Reihenkreis bildet, der auf eine höhere Frequenz als die gewünschte Ausgangsfrequenz abgestimmt ist, passiert der Strom J₅ durch diesen Reihenkreis und durch den dann leitenden Gleichrichter den Nullwert vor dem Strom Iu, wie er auf der dritten Zeile der Fig.2 dargestellt ist Der betreffende Gleichrichter erlischt also, bevor der nächste Gleichrichter stromleitend wird. Die »Umschaltung« verursacht also keine Schwierigkeiten, solange der Unterschied zwischen einer Halbwelle der Ausgangswechselspannung mit der Frequenz /„ und einer Halbwelle der Schwingung mit der Eigenfrequenz Z₁ des Reihenkreises 12, 15,16,10,17,18 oder 12,15,16, 11, 17, 18 größer ist als die Wiede.''v.erstellungszeit der gesteuerten Gleichrichter.

Die Bedingung f_s>f„ bedeutet praktisch, daß die Induktanz jeder der Drosselspulen 10 und 11 kleiner als die im Parallelresonanzkreis 12, 15, 16 wirksame Induktanz, z. B. falls die Induktivität 13 von der Streuinduktanz des Transformators 13 gebildet und die Belastung 42, 43 nahezu ohmisch ist, kleiner als diese Induktivität 15 sein muß.

Der Ausgangskreis 12, 15, 16 bildet samt jeder der Drosselspulen 10 und 11 vorzugsweise einen Reihenkreis, der auf eine Frequenz f_s höher als l,4mal der Ausgangsfrequenz abgestimmt ist; wenn der Ausgangskreis 12,15,16 auf die Ausgangsfrequenz f_u abgestimmt ist, bedeutet diese Bedingung (f_s> 1,4 ί_αχ daß die im Ausgangskreis wirksame Induktanz (z. B. Li₅) höher ist als zweimal der von jeder Drosselspule 10 und 11

CL₁₅> 2 L₁₀ = 2 Lu).

Unter diesen Verhältnissen hat der Wert und/oder der Charakter (induktiv, ohmisch oder kapazitiv) der Betastung 42, 43 nur wenig Einfluß auf die Gestalt der Stromimpulse durch jeden der gesteuerten Gleichrichter 1 bis 4. Die Amplitude dieser Stromimpulse vergrößert sich praktisch in proportionalem Verhältnis mit der Belastung, während die Ausgangsspannung V₁₁ im wesentlichen und praktisch ausschließlich durch die Größe der Spannung an der Belastung bedingt wird.

Dies gilt insbesondere für das Magnetron 43, das durch eine Quelle von der Gegenspannung E_m mit einem verschwindend kleinen Eigenwiderstand ersetzt werden kann. Eine entsprechende Gegenspannung E₁₁= E_1nZn ist dann an der Induktivität 12, 15 abwechselnd mit dem eineT :jnd mit dem anderen Vorzeichen wirksam, wobei η das Übersetzungsverhältnis zwischen der Sekundärwicklung 14 und üer Primärwicklung 12 darstellt. Der Spitzenwert der Wechselspannung E\t am Kondensator 16 muß also wenigstens gleich dem dieser Spannung E_u sein. Andererseits, wenn der Spannungsabfall an den gesteuerten Gleicnrichtern 1 bis 4 (von der Größenordnung von I Volt bei gesteuerten Halbleitergleichrichtern) außer Betracht gelassen wird, ist die Amplitude von E\<> gleich der Hälfte von der der Speisewechselspannung £₂o zuzüglich der Spannung E_u:

E_1n Spit/c = _Ί E₂₀ Spitze + E₁₁.

Die maximale Gegenspannung an einem gesteuerten Gleichrichter, z. B. I. ist gleich dem Spitzenwert der

Speisewechselspannung F20zuzüglich

C₁₆ + C₁₇ + C₁₁

C₁₇ + C₁

mal der Gegenspannung £„:

Spitze f

+ C₁₇ + c,,

Q₇ + C₁₈

E₁, Spitze.

Die der Gegenspannungsquelle 43 gelieferte Leistung in Pu ist gleich

2 · /"„ · £20 · C|6 · E₁₁.
Nun ist

£20 = £20 Spitze ■ sin a>_v ■ t, ''

wobei ων= 2nf, ist und Λ die Frequenz der Speisewechselspannung darstellt.

4
P₁, = — · /„ · E_1n Spitze · C₁₆ · £„. 2«

Bei einer praktischen Ausfiihrungsform zum Speisen eines Magnetrons 43 des Typs Philips TX 206 waren die gesteuerten Gleichrichter 1 bis 4 Halbleitergleichrichter des Typs Philips BTY 91/800 R, während die Gleichrichterbrücke 42 aus Dioden des Typs Philips BY 138 mit zehn Dioden in Reihe in jedem Zweig aufgebaut war. Die Drosselspulen 10 und 11 hatten je eine Induktanz von 45 μΗ, der Transformator 13 und die Induktivität 15 waren auf einem gemeinsamen, aus zwei jo U-förmigen Halbkernen bestehenden Ferritkern mit Luftspalt gewickelt. Auf dem einen Schenkel war die Primärwicklung 12 von 30 Windungen über die Sekundärwicklung 14 von tausend Windungen gelegt, während die aus 25 Windungen bestehenden Induktivi- si tat 25 von 150 μΗ auf dem anderen Schenkel gewickelt war. Der Luftspalt beschränkte die Induktanz des Primärkreises aus Primärwicklung 12 und Induktivität 15 auf 1000 μΗ bei Leerlauf, das ist ein Wert, bei dem der Umformer noch ohne Gefahr für die gesteuerten Gleichrichter eingeschaltet werden konnte, während

das Verhältnis π gleich

18.2 war.

45

50

Die Längsinduktivitäten 21 und 22 des Filters waren auf einem gemeinsamen Ferritkern gewickelt und hatten je einen Wert von etwa 330 μΗ, und die übrigen Elemente hatten folgende Werte:

Kondensator 16 4 μΡ

Kondensatoren 17 und 18 10 \\ΐ

Kondensator 24 10 ^F

Kondensator 27 10 μΡ

Kondensatoren 30 und 31 0,1 μΡ

Widerstände 36 und 37 33 Ohm

Mit diesen Elementen war die Resonanzfrequenz /j des Reihenkreises 12,15,16,10, 17,18 oder 12, 15,16, 11,17,18 gleich 103 kHz, so daß die Ausgangsfrequenz /„ vorzugsweise kleiner als 0,7 ■ 10,3 = 7.2 kHz bleiben soll. Die ParalJelresonanzfrequenz des Kondensators 16 und der Induktivität 15 war gleich 6,5 kHz, so daß diese Bedingung mit einer Steuerfrequenz gleich dieser Resonanzfrequenz erfüllt werden konnte.

Mit einer Speisewechselspannung von 220 Volt und bei einer Steuerfrequenz von 6600 Hz wurde dem Magnetron 43 eine Leistung von 25 kW bei einer Spannung von 5,6 kV geliefert. Um diese gewünschten Werte bei Änderungen der Speisewechselspannung aufrechtzuerhalten, mußte die Steuerfrequenz etwa in umgekehrtem Verhältnis mit dieser Speisespannung geändert werden, und zwar bei £20 = 220+10% auf 6000 Hz und bei £20 = 220- 10% auf 7300 Hz gebracht werden, was durch eine automatische Frequenzregelung des Steuergenerators 7 leicht bewirkt werden kann.

Der Wirkungsgrad des Umformers war von der Größenordnung von 90% und sein Gewicht betrug nur 8 kg oder 30% des Gewichtes des üblichen Hochspan· nungs-Speisegeräts mit einem Netzfrequenztransformator.

Das Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 wird aus einem Dreiphasennetz als Wechselspannungsquelle 20 gespeist. Dementsprechend enthält der Frequenzumformer eine Gleichrichterbrücke mit drei Gleichstromkreisen, die je aus zwei miteinander in Reihe und in derselben Durchlaßrichtung geschalteten gesteuerten Gleichrichtern 1 und 2 bzw. 3 und 4 bzw. 5 und 6 bestehen, während der Transformator 8 mit drei Sekundärwicklungen zum Steuern der Gleichrichter 1,3 und 5 versehen ist. Ein Ende des Ausgangskreises 12,15, 16 ist mit dem Sternpunkt eines aus drei gleichen Kondensatoren 17, 18 und 19 bestehenden kapazitiven Netzwerkes verbunden, das an die gemeinsamen Punkte der gesteuerten Gleichrichter der verschiedenen Gleichstromkreise der Gleichrichterbrücke 1 bis 6 angeschlossen ist.

Der gemeinsame Punkt der beiden gesteuerten Gleichrichter (z. B. 1 und 2) jedes Gleichstromkreises ist über ein Tiefpaßfilter aus den Teilen mit den Bezugszeichen 21, 24, 27 bzw. 22, 25, 28 bzw. 23, 26, 29 mit der entsprechenden Klemme (z. B. R) der Wechselspannungsspeisequelle verbunden, und zwecks Aufrechterhaltung der Symmetrie ist jeder gesteuerte Gleichrichter 1 bis 6 von einem Dämpfungskreis aus den Teilen mit den Bezugszeichen 30, 36; 31, 37; 32, 38; 33, 39; 34,40 bzw. 35,41 überbrückt.

Die Wirkungsweise des Ausführungsbeispiels nach F i g. 3 entspricht völlig derjenigen des ersten Ausführungsbeispiels.

Durch die von den Transformatoren 8 und 9 abwechselnd gelieferten Vorwärtssteuerimpulse wird von den gesteuerten Gleichrichtern I₁ 3 und 5 bzw. 2, 4 und 6 jeweils derjenige stromleitend gemacht, dessen Anoden-Kathodenspannung in der Vorwärtsrichtung liegt und den höchsten Augenblickswert hat, wie es in Fig.4 durch schraffierte Segmente dargestellt ist. Es kann vorkommen, wie z. B. im Punkt A (90°), daß ein Steuerimpuls in einem Augenblick erzeugt wird, in dem an zwei gesteuerten Gleichrichtern (4 und 6) die gleiche Vorwärtsspannung liegt In einem solchen Fall werden beide Gleichrichter ungefähr gleichzeitig stromleitend, aber derjenige (4), dessen Anoden-Kathodenspannung abnimmt, wird von anderen (6), dessen Anoden-Kathodenspannung zunimmt, gelöscht

Wird ein Steuerimpuls vor einem solchen Augenblick erzeugt, z. B. im Punkt B(25°), so wird der Gleichrichter 4 stromleitend Kommt dann der nächste Steuerimpuls nach dem Augenblick entsprechend dem Punkt A, z.B. in dem Augenblick entsprechend dem Punkt C(105°), so bleibt der Gleichrichter 4 bis zu diesem letzten Augenblick stromleitend, wenn der erste Steuerimpuls in dem Augenblick entsprechend dem Punkt A bereits beendet ist, sonst wird der Gleichrichter 6 in dem Augenblick entsprechend dem Punkt A stromleitend gemacht, abernimmt den Strom und löscht den Gleichrichter 4, um seinerseits in dem Augenblick entsprechend dem Punkt Cgelöscht zu werden.

Die Belastung ist hier angedeutet als vom Ankerkreis

44 eines Kollektormotors gebildet.

F i g. 5 z.eigt eine Abart des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3.

Bei dieser Abart besitzt die Wechselspannungsspeisequelle 20 einen zugänglichen Nulleiter und der Sternpunkt der Wechselspannungsspeisequelle, mit dem das andere Ende des Ausgangskreises verbunden ist, ist unr> itelbar an diesen Nulleiter angeschlossen. Unter diesen Verhältnissen genügen, unter Aufrechterhaltung der Symmetrie, zwei Dämpfungskreise 30, 36 bzw. 31, 37; jeder gesteuerte Gleichrichter ist also von einem Dämpfungskreis 30, 36 oder 31, 37 in Reihe mit einem der Filterkondensatoren 24, 25 und 26 überbrückt (wobei hier nur die jeweiligen Bezugszeichen genannt

sind).

Naturgemäß kam man Frequenzumformer der beschriebenen Art mit einer Gleichrichterbrücke mit mehr als zwei oder drei Gleichstromkreisen bauen, z. B. mit sechs Gleichstromkreisen, die je aus zwei miteinander in Reihe und in derselben Durchlaßrichtung geschalteten gesteuerten Gleichrichtern bestehen. Jedoch der Vorteil gegenüber der bekannten Kombination eines Gleichrichters mit einem darauffolgenden Umformer wird bei zunehmender Phasenzahl kleiner und ist sehr zweifelhaft, wenn man von einer üblichen Dreiphascnwechselstromspeisequelle ausgehen muß, um eine Speisequelle mit einer höheren Phasenzahl, z. B. sechs, zu verwirklichen.

Hierzu 3 Bliitl Zeidiiuiiiueii

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Frequenzumformer ohne Gleichstromzwischenkreis für die Erzeugung einer Ausgangswechselspannung höherer Frequenz aus einer Eingangswechselspannung niedrigerer Frequenz, der eine Gleichrichter-Brücke mit wenigstens zwei Brükkenzweigen enthält, die jeweils aus zwei miteinander in Reihe und in derselben Durchlaßrichtung geschalteten, über Steuergeneratoren zyklisch gesteuerten Gleichrichtern bestehen, wobei die Gleichspannungs-Ausgangspunkte dieser Gleichrichter-Brücke über Drosselspulen mit einem Ende eines Schaltungskreises verbunden sind, dessen anderes Ende an einen Sternpunkt der Eingangs-Wechselspannungsquelle angeschlossen ist, wobei dieser Schaltungskreis den Ausgangsresonanzkreis umfaßt und der gemeinsame Punkt der beiden gesteuerten Gleichrich scr jedes Gleichrichter-Brückenzweiges mit einer entsprechenden Klemme der Eingangs-Wechselspannungsquelle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltungskreis den Ausgangsresonanzkreis, bestehend aus einem Kondensator (16) parallel zu der Reihenschaltung aus der Primärwicklung (12) eines Aasgangstrafos (13) und einer Induktivität (15), bildet, und daß die Steuerfrequenz des Steuergenerators (7) und die Frequenz der Ausgangswechselspannung einander gleich sind, und daß der Ausgangsresonanzkreis (12, 13, 15, 16) zusammen mit jeder der unterschiedlichen Drosselspulen (10.11) einen Reiher..^-;sonanzkreis mit einer Resonanzfrequenz bildet, die höher liegt als die Steuerfrequenz, und der Steue· jenerator (7) die mit der einen Drosselspule (10) verbundenen gesteuerten Gleichrichter (1, 3) einerseits und die mit der anderen Drosselspule (11) verbundenen Gleichrichter (2,4) andererseits ansteuert.

2. Frequenzumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz des Ausgangsresonanzkreises (12 bis 16) mit den unterschiedlichen Drosselspulen (10,11) höher ist als das l,4fache der Frequenz der Ausgangswechselspannung.