DE1805036A1

DE1805036A1 - Umformerschaltungsanordnung

Info

Publication number: DE1805036A1
Application number: DE19681805036
Authority: DE
Inventors: Turnbull Fred Gerdes; Espelage Paul Martin
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1967-10-31
Filing date: 1968-10-25
Publication date: 1969-05-14
Also published as: FR1602123A; BE723133A; GB1243389A; US3487278A; NL6815119A

Description

Dr. Horst Schüler

Patentanwalt
6 Frankfurt / Main 1

Niddastr.52 1805036

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
Schenectady, N.Y., U.S.A.

23. Oktober 1968 948-RDCD-11O5

"Umformeraohaltungsanordnung"

Die Erfindung "bezieht sich, auf Umformer unter Verwendung von !Thyristoren als Umschaltelementen, insbesondere auf statische Umformerschaltungsanordnungen, in welchen ein Hilfsumformer als Quelle für Umsehaltimpulse für einen Lastumformer dient. Diese Umformer sind besonders vorteilhaft zur Erzeugung zuverlässiger Umschaltung für die Thyristoren, wenn eine veränderliche Gleichspannungsversorgung für den Lastumformer verwendet wird, um einen weiten Ausgangsspannungsbereich zu erzeugen.

Es gibt einige Anwendungszwecke für Umformer, bei denen es erwünscht ist, eine veränderliche Ausgangsspannung mit einem vernünftig nutzbaren Bereich von etwa 10 zu 1 oder mehr zu erhalten. Eine solche Anwendung ist ein in der Geschwindigkeit veränderbarer Antrieb für einen Wechselstrommotor, wobei Spannung und Erequenz der Versorgung für den Motor verändert werden, um die Geschwindigkeit des Motors zu variieren. Um eine variable Umformer-Ausgangsspannung zu erhalten, ist es wünschenswert, einen Umformer mit variabler Gleichspannungsversorgung zu verwenden, weil es auf diese Weise möglich ist, einen großen Ausgangsspannungsbereich ohne Anstieg des harmonischen Gehalts zu erzeugen. Die übliche Umsohalttechnik für torlose Schaltt-hyristoren (nongate turn - off thyristors)

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können jedoch bei einem Umformer mit "variabler Gleichspannungs- ' Versorgung nicht wirksam verwendet werden. Bei den meisten üblichen Umformern wird nämlich ein Umschaltkondensator bis zu einem Wert aufgeladen, der der Gleichspannungsversorgung des Umformers entspricht, um die Thyristoren umzuschalten, die zur Stromrichtungsumschaltung des Laststroines benutzt werden. Bei Herabsetzung der Versorgungsgleichspannung wird auch die vorhandene Umschaltenergie verringert. Das stellt bei einem üblichen Umformer kein Problem dar₉ der eine feste Gleichspannungsversorgung verwendet oder eine solche, die nur über einen engen Bereich variiert. Bei Benutzung einer variablen Gleichspannungsversorgung mit einem großen Spannungsbereich bei einem Umfor- * mer zur Erzeugung eines weiten Ausgangsspannungsbereiches stellt sich jedoch heraus, daß bei Auslegung eines üblichen Umschaltkreises für den Maximalwert der Gleichspannungsversorgung nur eine ungenügende Umschaltenergie bei minimaler Gleichspannungsversorgung vorhanden ist. Wenn andererseits der Umschaltkreis für die minimale Gleichspannungsversorgung ausgelegt ist, dann ist er entweder für die maximale Spannung überdimensioniert oder die Grenzdaten der Thyristoren können überschritten werden. Man braucht daher eine andere Umschalttechnik¹, bei der die vorhandene Umschaltenergie unabhängig von der variablen Gleichspannungsversorgung für den Umformer ist.

Ein Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer Leistungsregel- V schaltung für die Erzeugung eines großen -Ausgangsspannungsbereichs, mit der eine zuverlässige Umschaltung der torlosen Sohaltthyristoren sichergestellt ist, die in der Leistungsregelschaltung verwendet werden.

Ein weiterer Zweck ist die Schaffung einer Umformerschaltungsanordnung, die mit einer variablen Versorgungsgleichspannung;

arbeitet und einen großen nutzbaren AusgangsSpannungsbereich co

ο mit einem Verhältnis von etwa 10 zu 1 oder größer erzeugt, co

^ Schließlich soll ein U_mformer geschaffen werden, bei dem ein **** Umsohaltimpuls erzeugender Hilfsumformer als Quelle von Um-

to sohaltimpulsen für einen Lastumformer benutzt wird, der mit

^ einer festen oder variablen Versorgungsgleichspannung betrieben wird; hierdurch wird eine zuverlässige Umschaltung mit ί

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gutem Wirkungsgrad erreicht.

Die Umformer schaltungsanordnung mit großem Spannungsregelbereich ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen Lastumformer zur Erzeugung einer variablen Ausgangswechselspannung aus einer variablen Gleichspannungsquelle, der wenigstens zwei Laststrom führende Thyristoren aufweist, die im wesentlichen abwechselnd leitend gemacht werden und mit einem ersten Paar Versorgungsgleichspannungsklemmen verbunden sind. Der Lastumformer enthält weiterhin einen Umschaltkreis, der jeden betreffenden Thyristo^naoh einer gewünschten leitenden Periode in den nichtleitenden Zustand überführt. Ein Kreis zur Erzeugung von hochfrequenten Umschaltimpulsen entgegengesetzter Polarität zum Abschalten der betreffenden Thyristoren in dem Lastw&g-eumformer ist vorgesehen. Dieser Impulsgenerator ist vorzugsweise ein durch Reihenkondensator umgeschalteter Sinuswellenhilfsumformer, der über ein zweites Versorgungsgleichspannungsklemmenpaar an eine GKLeichspannungsquelle vorzugsweise festen oder konstant gehaltenen Potentials geschaltet ist. Ein linearer Hochfrequenzkopplungstransformator koppelt den UmschaltimpulBgenerator an den Umschaltkreis des Lastumforroerg, so daß Umschaltimpulse beider Polarität transformatorisch auf den Umschaltkreis des Lastumformers übertragen werden, um vorbestimmte Umsohaltströme zu erzeugen, die zur zuverlässigen Umschaltung der Thyristoren über den Bereich der Ausgangsspannung in jeweils entgegengesetzten Richtungen fließen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung näher erläutert.

tfig, 1 ist ein Schaltbild einer Umformersehaltungsanordnung nach der Erfindung mit der Kombination eines Lastumformere und eines UmschaltimpulBgenerators in Einphasen-Halbbrücken-Bchaltungj

Pig. 2a und 2b zeigen charakteristische Schwingungsformen des von dem Lastumformer an eine ürklast gelieferten Laststromes bzw· der in dem Hilfsumformer erzeugten Umsohaltimpulsej

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Fig, 3 ist ein Schaltbild einer abgeänderten Ausführungsform derjenigen nach Jig. 1;

Figo 4 ist eine Abwandlung der Schaltung nach Pig. 3 J

Pig. 5 ist ein Schaltbild eines Dreiphasenumformers, bei dem drei der in Pig. 1 gezeigten Einphasenumformer verwendet werden, um die Geschwindigkeit eines Dreiphasen-Wechselstrommotors zu regeln.

Die in Pig. 1 gezeigte Umformerschaltungsanordnung nach der Erfindung besteht aus der Kombination eines Lastumformers 11, der mit einem Umschaltimpulse erzeugenden Hilfsumformer 12 gekoppelt ist. Beide Umformer 11 und 12 verwenden Thyristoren als Stromschaltelemente. Der Lastumformer 11 benutzt eine variable Gleichspannungsquelle zur Erzeugung elxec Ausgangswechselspannung, die über einen großen Bereich von etwa 10 zu 1 oder größer variierbar ist. Zwei Klemmen 13 und 14 für die Gleichspannungsversorgung sind an eine variable Gleichspannungsversorgungsquelle angeschaltet, die vorzugsweise durch einen von einer Batterie betriebenen, in einem Zeitverhältnis gesteuerten Kreis gebildet wird, Jedoch können verschiedene Arten von phasengesteuerten Gleichrichtern benutzt werden, die an eine feste Wechselspannungsquelle geschaltet sind, oder gewöhnliche Gleichrichter, die von einer variablen Wechselspannungsquelle betrieben werden. Die Klemme 13 ist positiv gegenüber der anderen Klemme 14» die vorzugsweise geerdet ist. Über die Klemmen 13 und 14 der Gleichstromversorgung ist eine Reihenschaltung eines ersten gesteuerten Siliziumgleichrichters 15 und eines zweiten gesteuerten Siliziumgleichrichters 17 geschaltet. Der gesteuerte Siliziumgleichrichter ist auch unter dem Namen torgesteuerter Thyristor bekannt und ist ein Pestkörperelement,dessen leitender Zustand durch das Anlegen eines Torsignals an seine Torsteuerelektrode eingeleitet werden kann, wonaoh jedoch das Torsignal die Kontrolle über die Leitfähigkeit durch das Element verliert und dieses durch Verringerung des Stromes durch das Element unterhalb des Haltestromes oder durch Verringerung des Anodenpotentials im Verhältnis zum Kathodenpotential zur entgegengesetzten 9 0 9 8 2 0/091 1 Vorspannung des Element es

nichtleitend gemacht oder abgeschaltet wird» Die Umschaltinduktanz ist mit einer Mittelanzapfung versehen, und eine Last

18 ist zwischen der Mitteianzapfung und dem Verbindungspunkt

19 zwischen zwei Spannungsteilerkondensatoren 20 und 21 geschaltet, die in Reihenschaltung über den Klemmen 13 und 14 der Glei&hstromversorgung liegen. Die Last ist eine Wirklast, aber dieser Umformer arbeitet in gleicher Weise mit Lasten, die einen vor- oder nacheilenden Leistungsfaktor aufweisenβ Für die betreffenden Laststrom führenden gesteuerten Silizium gleichrichter 15 und 17 sind geeignete Torschaltkreise 15' und 17' vorgesehen, die sie abwechselnd oder im wesentlichen abwechselnd in den leitenden Zustand bringen, um Strom durch die Last 18 zunächst in einer Richtung, und darauf in der anderen Richtung fließen zu lassen. Diese Torkreise sind jedoch nicht im einzelnen gezeigt, weil sie in üblicher Weise aufgebaut sind. Geeignete Torkreise sind beispielsweise in dem Buch "Silicon Controlled Rectifier Manual", 4th Edition, veröffentlicht von der Halbleiterabteilung, General Electric Company, Syracuse, New York, 1967, beschrieben.

Eine Rückkopplungsdiode 22 ist mit umgekehrter Stromrichtung den Lastklemmen eines ersten gesteuerten Siliziumgleichrichters 15 parallel geschaltet, und in gleicher Weise ist eine Rückkopplungsdiode 23 den Lastklemmen des anderen gesteuerten Siliziumgleiohrichters 17 parallel geschaltet. Die Rückkopplungsdioden 22 und 23 bilden einen Weg für den Stromlauf, nachdem der gesteuerte Siliziumgleichrichter 15 oder der gesteuerte Siliziumgleichrichter 17 abgeschaltet worden ist, wenn die Last 18 eine Blindlast ist. Diese Rückkopplungsdioden bilden auch einen Teil der Abschaltkreise zum Abschalten der Thyristoren 15 und 17 nach einer erwünschten, leitenden Periode. Zusätzlich zu der Rückkopplungsdiode 22 enthält der Umschaltkreis für den gesteuerten Siliziumgleichriohter 15 eine Induktanzhälfte 16a, die Sekundärwindung 24s eines linearen Hoohfrequenzkopplungstransformators und einen Kondensator 25· ümsohaltstrom fließt auch durch die geschlossene Schleife, die einen anderen Kondensator 27 und eine Gleichspannungsquelle enthält. Die Sekundärwicklung 24b des Kopplungstransforma-

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tors ist zwischen die Mittelanzapfung der Umschaltinduktanz 16 und uer Verbindungspunkt 26 zwischen dem Kondensator 25 und einem anderen gleichen Kondensator 27 geschaltet, die parallel zu den Klemmen 13 und 14 der Gleichspannungsversorgung geschaltet sind. Wie später genauer erklärt werden wird, wird ein Umschaltstromimpuls durch den Hilfsumformer 12 erzeugt und durch Transformatorwirkung in der Sekundärwicklung 24s des Hochfrequenzkopplungstransformators induziert, wenn es erwünscht ist, den gesteuerten Siliziumgleichrichter 15 nach einer gewünschten leitenden Periode abzusehalten, Der Umschaltkreis für den gesteuerten Siliziumgleichrichter 17 enthält die oben erwähnte Rückkopplungsdiode 23» die Induktanzhälfte 16b, ™ die Sekundärwicklung 24s des Kopplungstransformators und den Kondensator 27. Umschaltstrom fließt ebenfalls durch die Schleife, die den Kondensator 25 und die Gleichspannungsquelle enthält.

Der Umschaltimpulse erzeugende Hilfsumformer 12 ist ein durch Reihenkondensator umgeschalteter Hochfrequenzumformer, der vorzugsweise von einer festen Gleichspannungsquelle, beispielsweise einer Batterie, gespeist wird, obwohl auch eine konstant gehaltene Spannungsquelle verwendet werden kann* wie später besprochen werden wird. Eine positive Klemme 30 und eine negative Klemme 31 sind an die feste Gleichspannungsquelle ange-) schlossen. Die negative Klemme 31 ist vorzugsweise geerdet und mit der Erdungsklemme 14 des Lastumformers 11 verbunden. Über die Gleichspannungsklemmen 30 und -31 ist eine Reihenschaltung eines ersten gesteuerten Siliziumhilfsgleichrichters 32, einer Umschaltinduktanz 33 und eines zweiten gesteuerten SiIi-

hilfs
ziufljgleichrichters 34 geschaltet. Zwei Umschaltkondensatoren 35 und 36 sind ebenfalls in Reihe über die Gleichspannungs-. klemmen 30 und 31 geschaltet· Die Primärwicklung 24p des Hochfrequenzkopplungstransformators ist direkt zw.ischen der Mittelanzapfung der Umsohaltinduktanz 33 und dem Verbindungspunkt 37 der beiden Umsohaltkondensatoren 35 und 36 geschaltet. Ein kritischer Dämpfungswiderstand 38 ist über die Primärwicklung 24p des Kopplungstransformators geschaltet aus Gründen, die später erklärt werden.

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Es sei zunächst angenommen, daß beide gesteuerten Siliziumhilf sgleiehrichter 32 und 34 abgeschaltet sind, und daß ein Torsignal von dem Torkreis 32' an den ersten gesteuerten Siliziumhilf sgleichrichter 32 gelegt wird, um diesen in den leitenden Zustand zu versetzen« Wegen der Eigentümlichkeit des angestoßenen Serienresonanzkreises fließt ein halbsinusförmiger Impuls durch den gesteuerten Siliziumgleichrichter 32, die Induktanzhälfte 33a und die Primärwicklung 24p des Kopplungstransformators, und verteilt sich in gleicher Weise auf die anliegenden Beläge der Umschaltkondensatoren 35 und 36. Der tJmschaltkondensator 36 wird durch den Strom der G-leichspannungsquelle aufgeladen, während die in dem anderen Kondensator 35 während der vorausgehenden Halbperiode des Betriebs angesammelte Ladung durch die Primärwicklung 24p des Kopplungstransformators abfließt. Am Ende dieser Sinushalbwelie des Stromes fällt der Strom durch den gesteuerten Siliziumgleichrichter 32 unter den Haltewert, und die Spannung an dem Verbindungspunkt 37 zwischen den Diaschaltkondensatoren steigt über die Spannung der Gieichspannungsversorgung und spannt den gesteuerten Siliziumgleichrichter 32 in Gegenrichtung vor, so daß dieser abschaltet. Während der anderen Halbwelle des Hilfsumformers 12, wenn der zweite gesteuerte Siliziumhilfl.-gleichrichter 34 durch den Torkreis 34' eingeschaltet ist, arbeitet der Hilfsumformerkreis in spiegelbildlicher Weiee.Somit wird ein in negativer Richtung verlaufender HalbsinuBstromimpuls in dem Kreis erzeugt, der aus der Primärwicklung 24p des Kopplungstransformators, der Inauktanzhälfte 33b und dem gesteuerten Siliziumhilfsgleichrichter 34 besteht. Der Umechaltkondensator 35 wird durch den Strom der Gleichspannungsquelle in einer negativen Richtung aufgeladen, während der andere tJmschaltkondensator 36 sich durch den gerade beschriebenen Kreis entlädt.

Anhand der in den Figo 2a und 2b gezeigten Schwingungsformen wird nun erklärt, wie der die ümsohaltimpulse erzeugende Hilfsumformer 12 als Quelle für die Umschaltstromimpulse für den lastumformer 11 benutzt wird. Ia jeder Betriebsperiode wird die variable Spannungsquelle so eingestellt, daß sie die erwünschte Ausgangsspannung abgibt· Der Lastumformer 11 ist ein

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Rechteckumformer und erzeugt rechteckige Stromschwingungen durch die Last 18, wie in Fig. 2a gezeigt ist. Beim Einschalten des ersten gesteuerten Siliziumgleichrichters 15 fließt Strom durch diesen Gleichrichter, der sich jetzt in einem Zustand niedriger Impedanz befindet, und durch die Induktanzhälfte 16a zur last 18· Wenn man den gesteuerten Siliziumgleichrichter 15 nichtleitend machen und ihn in einen Zustand hoher Impedanz versetzen will, um den Stromfluß zu unterbrechen, wird der erste gesteuerte Siliziumhilfsgleichrichter 32 in dem Hilfsumformer 12 leitend gemacht. Eine Sinusstromhalbwelle wird in der Primärwicklung 24p des Kopplungstransfor-" mators erzeugt, wie in Hg. 2b gezeigt ist, und abhängig von

fc dem Verhältnis zwischen der Windungszahl der Sekundärwicklung 24s und der Windungszahl der Primärwicklung 24p des Kopplungstransformators wird ein Umsohaltstromimpuls derselben oder einer verschiedenen Amplitude in der Sekundärwicklung 24s des Kopplungstransformators erzeugt. Die Polarität der Spannung in der Primär- und Sekundärwicklung ist posotiv an den Enden der Wicklung, die mit einem Punkt bezeichnet sind. Der Umechaltstromimpuls fließt durch die Induktanzhälfte 16a und steht dem Laststrom in dem gesteuerten Siliziumgleichrichter 15 entgegen, und wenn der Stromfluß durch den gesteuerten Siliziumgleichrichter 15 auf Null gefallen ist, beginntj34rom durch die Bückkopplungsdiode 22 zu fließen, wobei der durch die Rüokkopplungediode 22 fließende Strom den gesteuerten SiIi-

f ■ ziumgleichrichter 15 umgekehrt vorspannt und abschaltet. Der K_reis für die Umsehaltstromimpulse wird durch den Kondensator 35, duroh den Kondensator 21 und die Quelle vervollständigt.

Der zweite gesteuerte Siliziumgleiohriohter 17 wird durch Triggern eingeschaltet, um die zweite Halbperiode des Lastumformers 11 einzuleiten. Da der Verbindungspunkt 19 zwisohen den spannungsteilenden Kondensatoren 20 und 21 positiv in Bezug auf die negative Grleichspannungsklemme 14 ist, fließt Strom in umgekehrter Richtung durch die Last 18, die Induktanzhälfte 16b und den nun leitenden gesteuerten Siliciumgleichrichter 17. Um die Umeohaltung des gesteuerten Siliziumgleiohrichters 17 einzuleiten, wird der zweite gesteuerte SiliziumhilfBgleiohrichter 34 im Hilfeumformer 12 angeschaltet,

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wodurch ein in negativer Richtung verlaufender Umschaltimpuls in der Primärwicklung 24p des Kopplungstransformators erzeugt wird, welcher in der Sekundärwicklung 24s in einer solchen Eichtung induziert wird, daß der Umschaltstromimpuls in umgekehrter Richtung durch den gesteuerten Siliziumgleichrichter 17 fließt und dem Laststrom entgegensteht. Beim Leitendmachen der Rückkopplungsdiode 23 spannt der Spannungsabfall in dieser Diode den gesteuerten Siliziumgleichrichter 17 in umgekehrter Richtung vor, womit die Umschaltung vollendet wird. Der Widerstand 38 wirkt als kritischer Dämpfungswiderstand und verringert die zwischen den Kondensatoren 25 und 27 und der Leerlaufinduktanz des Kopplungstransformators, bestehend aus den Wicklungen 24p und 24s,auftretenden Schwingungen.

Wie bereits erwähnt, ist die Gleichspannungsversorgung für den Reohteoklastumformer einstellbar, um die Ausgangswechselspannung zu steuern. Durch Erzeugung der Umsehaltstromimpulse in dem Hilfsumformer 12, der über die feste Gleichspannungsquelle geschaltet ist, bleibt die vorhandene Stromumschaltmenge fest oder auf einem vorbestimmten Niveau, obwohl die Gleichspannungsversorgung für den Lastumformer 11 zur Steuerung der Ausgangsweohselepannung einstellbar ist. Unabhängig von der Größe der Ausgangsspannung ist immer genügend Umsohaltenergie vorhanden, um eine zuverlässige Umschaltung der I_nyristoren in dem Lastumformer sicherzustellen. Bei niedrigen Ausgangsspannungen ist eine zuverlässige Umschaltung ohne Überdimensionierung des Umsohaltkreises oder Überschreiten der Grenzdaten der Thyristoren gegeben, wenn die Ausgangsspannung hoch ist. Die Verwendung einer variablen Gleichspannungsquelle für die Versorgung des Lastumformers ist wünschenswert, da es auf diese Weise möglich ist, einen großen Bereich von Ausgangsspannungen ohne einen Anstieg im harmonischen Gehalt zu erreichen. Durch die Verwendung der Umschaltteohnik gemäß der Erfindung ist ein großer Bereich der Ausgangsepannungssteuerung möglich, z.B. so groß wie 20 zu 1 oder 30 zu 1.

Aus den in den 3Pig,,2a und 2b gezeigten charakteristischen Schwingungeformen ist ersichtlich, daß die iolgefrequenz der Auegangeweohselspannung und der Umsohaltstromimpulse die

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gleiche ist. Das ist natürlich notwendig, da bei jedem Einschalten des ersten Laststrom gesteuerten Siliziumgleichrichters der erste gesteuerte Siliziuä^leichriehter 32 ebenfalls angeschaltet sein muß, um ihn abzuschalten. In der gleichen Weise wird der zweite gesteuerte Siliziumhilfsgleichrichter 34 · jedesmal angeschaltet, wenn der andere Laststrom gesteuerte. Siliziumgleichrichter leitend wird, um ihn abzuschalten. Es ist jedoch wünschenswert, daß die Impulsbreite der Umschaltstromimpulse relativ klein ist, verglichen mit den entsprechenden Halbwellen der Ausgangsspannungp Das bedeutet, daß der Hilfsumformer 12 im Vergleich zu dem Lastumformer 11 ein Hochfrequenzumformer ist« Durch derartige Dimensionierung der Reihenresonanzkreise in dem Hilfsumformer 12, daß er relativ hochfrequent ist und die erzeugten Umschaltstromimpulse relativ schmal sind, ist es möglich, sowohl die. frequenz als auch die Größe der Ausgangswechselspannung zu verändern. Die Möglichkeit der Veränderung sowohl der Ausgangsspannung als auch der.... Frequenz ist bei Anwendungszwecken von Umformern wünschenswert (normalerweise eher bei einem Dreiphasenumformer als bei einem Einphasenumformer), bei dem er als Antrieb mit variabler Geschwindigkeit für einen Wechselstrommotor benutzt wird.· In. ■ einem solchen Fall werden sowohl die Spannung als auch die frequenz variiert, um die Geschwindigkeit des Motors, zu verändern, während in der Maschine ein konstanter Fluß aufrecht erhalten wird. Zusätzlich können bei jeder Halbwolle des Betriebes die Lastthyristoren 15 und 17 schnell: an— und abgeschaltet werden, um ein inneres Abschneiden (internal chopping) für Spannungsregelung zu erreichen. Dies ist in gestrichelten Linien in Fig,2a angedeutet, wo das Verhältnis der eingeschalteten Zeit des Thyristors zur ausgeschalteten Zeit gewählt wird, um in jeder Halbperiode des Betriebes eine erwinschte Ausgangsspannung gemäß den Zeitverhältnissteuerungsprinzipien zu erreicheno Bei dieser Betriebsweise verringert sich die der Last zugeführte Ausgangsspannung im selben Maße wie.die Einschaltzeit verringert wird. Da die Laststrom führenden Thyristoren 15 und 17 unabhängig voneinander gesteuert werden können, kann· die Ausgangsspannung in aufeinander folgenden Halbwellen verschieden sein, so daß der Last ein Restgleichstrom zugeführt wird. I¹Ur gewisse Lastarten kann das wünschenswert sein»

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Ein anderer Vorteil der neuen, verbesserten Umformersohaltungsanordnung besteht darin, daß die trennung zwischen dem Umschaltimpulse erzeugenden Kreis und dem Hauptleistungskreis durch Verwendung eines Hochfrequenzkopplungstransformatore erreicht wird. Die Gleichspannungsversorgung für den Hilf sumformer 12 und die veränderliche Gleichspannungsversorgung für den Lastumformer 11 haben eine gemeinsame Erdung in Fig.1, aber eine vollständige Trennung kann vorgenommen werden, wenn dies erwünscht ist. Die !Trennung der beiden GHeichspannungsversorgungen erhöht die Zuverlässigkeit des Systems dadurch, daß der Hilfsumformer 12 arbeiten kann, wenn die Spannungsversorgung für den Lastumformer 11 kurzgeschlossen ist. Weiterhin verringert die Verwendung des getrennten Hilfsumformere 12 als Quelle für die Umsohaltimpulse die Hegelungsgenauigkeit, die für stufenweise Belastung, Anlauf und Lasten mit großem Leistungsfaktor erforderlich ist. Biese Vorteile treffen auch dann zu, wenn die Gleichspannungsversorgung für den Lastumformer nicht einstellbar ist und der Umformer eine konstante Ausgangsspannung hat.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, das unter gewiseen Lastbedingungen bevorzugt verwendet werden kann. Bei dieser Schaltung ist ein Ende der Sekundärwicklung 24s des Kopplungstransformators an den Verbindungspunkt 40 zwischen zwei Sperrdioden 41 und 42 geschaltet, die in Reihenschaltung über die Gleichspannungsklemmen 13 und 14 des Lastumformers 11 geschaltet sind. Das andere Ende der Sekundärwicklung 24s ist direkt an den Verbindungspunkt zwischen den in Reihe geschalteten gesteuerten Siliziumhauptgleichrichter 15 und 17 geschaltet. Der Kreis für die Umschaltimpulse wird durch einen Kondensator 43 geschlossen, der direkt über die Gleichspannungsklemmen 13 und 14 geschaltet ist. Bei dieser Anordnung werden die Dioden 22 und 42 leitend gemacht, wenn der von dem Hilfsumformer 12 erzeugte Umschaltimpuls eine derartige Polarität aufweist, daß die Polarität der Induzierten Spannung in der Sekundärwicklung 24s des Kopplungstransformators an dem mit einem Punkt bezeichneten Ende der Wicklung positiv iit. Die Spannung an der Sekundärwicklung 24s ist an die an. den Gleichspannungsklemmen 13 und 14 erscheinende

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Versorgungsspannung durch die Klemmwirkung dts Kondensators 43 geklemmt, der einen Weg für den Umsohaltstrom bildet· Wenn der Hilfeumformer 12 einen Umsdhaitstromiffipuls umgekehrter Polarität erzeugt, so daß die in der Sekundärwicklung 24s induzierte Spannung positiv an dem Snde der Wicklung ist, die nicht durch einen Punkt bezeichnet ist, so werden die Dioden 23 und 41 leitend gemacht und der Kreis für die ttosohaltetroffiimpulse wird durch den Kondensator 45 geschlossen« In anderer Hinsicht ist die Betriebsweise der Schaltung nach fig. 3 dieselbe wie die der Schaltung nach fig.1 und eine weitere Beschreibung ist nicht notwendig· Die Verwendung eines zweiten Satzes Dioden 41 und 42 erübrigt die Verwendung der mit Mittelan-) zapfung versehenen Kondensatoren 25 und 27 in fig* 1 und des Dämpfungswiderstandes 38, der zur Verringerung der Schwingung gen zwischen diesen Kondensatoren und der !Leerlaufimpedanz des Kopplungstransformators notwendig war.

Die in fig. 4 gezeigte Umformerschaltungsanordnung verwendet einen Lastumformer 11 der in fig» 3 gezeigten Art, jedoch ist der ümsohaltimpulse erzeugende Hilfsumformer 12 etwas von- den oben beschriebenen verschieden. Anstelle einer einzigen mittelangezapften Umschaltimpedanz 33 hat dieser Hochfrequenz- Sinuswellenumformer zwei getrennte Umsehaltinduktanzen 44 und 45» deren Verbindungspunkt 46 mit dem einen Ende der Primärwicklung 24p des Kopplungstransformators verbunden " . ist. Zusätzlich sind Ruckkopplungsdioden 47 und 48 in umgekehrter Stromrichtung parallel Über die Lastklemmen der bezüglichen gesteuerten Siliziumhilfsgleichrichter 32 und 34 geschaltet. Durch Hinzufügen der fiückkopplungsdioden 47 und 48 besteht ein Weg für eine zweite Sinushalbwelle des Stromes in jeder Halbwelle des Betriebes des durch einen Reihenkonden-. sator umgeschalteten Umformers, der durch die RÜckkopplungsdiode fließt. Wenn somit der erste gesteuerte Siliziumhilfsgleichrichter 32 leitend gemacht wirql ist eine Simushalbwelle des Stromes vorhanden, die auf Null fällt, wenn der Verbindungspunkt 36 der'Umsohaltkondensatoren 35 und 37 auf ein Potential ansteigt, das größer ist als die Versorgungsgleichspannung. Auf G-rund der einem Serienresonanzkreis eigenen Be-

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triebsweise fließt eine andere Sinushalbwelle in der umgekehrten Richtung durch die Primärwicklung 24p des Kopplungstransformators, die Umsohaltinduktanz 44 und die Rüokkopplungsdiode 47. Der durch die Rückkopplungsdiode 47 fließende Strom spannt den gesteuerten Siliziumhilfsgleichrichter 32 in umgekehrter Richtung vor und erlaubt ihm, die Fähigkeit wiederzugewinnen, Vorwärtsspannung zu blockieren. Zur gleichen Zeit wird von den aneinandergrenzenden Belägen der Umschaltkondensatoren 35 und 37 ladung fortgenommeiw Diese Stromentnahme von den in Reihe geschalteten Umschaltkondensatoren erlaubt es dieser Schaltung, mit einem kurzgeschlossenen Transformator oder einer kurzgeschlossenen Last zu arbeiten, weil die Kondensatorspannung sich nioht allmählich aufbaut wie bei den früheren Hilfsumformerschaltungen, sondern sich infolge des Hinzufügens der Rückkopplungsdioden zu der Schaltungsanordnung stabilisiert. Die zweite Sinushalbwelle des Stromes, die zur Erzeugung eines Stromflusses in den betreffenden Rückkopplungsdioden erzeugt wird, hat keine Wirkung in dem Lastumformerkreis 11, weil beide der Laststrom führenden gesteuerten SELiziumgleichriohter 15 und 17 bereits abgeschaltet sind.

In den Umformerschaltungsanordnungen der Fig. 1, 3 und 4 sind sowohl der Lastumformer 11 als der Hilfsumformer 12 in der bekannten einphasigen Halbbrückenschaltung gezeigt· In Jeder Schaltung können die Umformer in der Vollwegbrücken- oder Dreiphasenschaltung gezeichnet werden. Der in Fig.5 gezeigte Dreiphasenumformer enthält z.B» drei Einphasenumformer, die im wesentlichen dem in Fig.1 gezeigten entsprechen. Die drei Einphasenlastumformer sind mit 5ÖA, 5OB und 5OG bezeichnet, während die drei entsprechenden Einphasenhilfsumformer mit 51A, 51B und 510 bezeichnet sind. Die drei Lastumformer sind an eine gemeinsame positive Gleichspannungsklemme 13 und eine gemeinsame negative Gleichspannungsklemme 14, 31 geschaltet, die vorzugsweise geerdet ist. Die drei Umechaltimpulse erzeugenden Hilfsumformer sind über diese gemeinsame Gleichspannungsklemme H, 31 und eine gemeinsame positive Gleichspannungsklemme, 30 geschaltet. Beim eigentlichen Betrieb des umformer"³ "braucht die an die positive Klemme 30 für die

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Hilfsumformer geschaltete Versorgungsgleichspannung nicht eine absolut feste Gleichspannungsquelle sein wie im Zusammenhang mit den anderen Ausführungsbeispielen beschrieben wurde· Diese Versorgungsgleichspannung kann in vorgeschriebenen Grenzen veränderlich sein oder eine Versorgungsgleichspannung mit schlechter Konstanthaltung sein und dennoch die erwünschten Ergebnisse mit dieser Umformerschaltungsanordnung erreichen. In diesem Falle ist der dem Lastumformer zugeführte Umschaltstrom nicht fest,sondern ändert sich in vorgeschriebenen Grenzen,und filter können benutzt werden, falls erwünscht.

Bei dem Binphasenlastumformer 5OA haben die den Einzelteilen des lastumformers 11 in Mg. 1 entsprechenden Einzelteile dieselben Bezugsziffern erhalten, und wie ersichtlich ist die mittelangezapfte UmschaItinduktanz 16 in Mg» 1 durch getrennte Umschaltinduktanzen 52 und 53 ersetzt, und das Ende der Sekundärwicklung 24s des Kopplungstransformators ist mit dem Verbindungspunkt 54 zwischen diesen beiden Induktanz en verbundene Die U_mschaltinduktanzen 52 und 53 können gesättigte Kerne aufweisen· Die Einzelteile des Umechaltimpulsumformers 5IA, die den Einzelteilen des Hilfsumformers 12 in i*ig.1 entsprechen, haben die gleichen Bezugsziffern erhalten, und wie ersiditlicli, werden getrennte Umsohaltinduktanzen 44 und 45 verwendet. Auch diese können gesättigte Kerne aufweisen.

Die AusgangsSpannungen der drei Einphasenlastumformer 5OA, 5OB und $>C erscheinen an den Ausgangsklemmen 55A, 55B bzw.» 55O. Eine Anwendung dieses Dreiphasenumformers besteht in der Versorgung eines Dreiphasenwechselstrommotors, dessen Geschwindigkeit veränderbar ist. Wie gezeigt, sind die Verbindung spunkte der in Dreieck geschalteten Windungen eines DreiphasenweGhselstrommotors 56 an die Ausgangsklemmen 55A, 55B und 550 des ifcforders angeschlossen. Der Dreiphasenumformer wird in der üblichen Weise betrieben und erregt die Wicklungen des Motors 56· Als besonderes Beispiel einer erreichbaren Spannungssteuerung mit großem Bereich ist die an die positive Gleichspannungsklemme 13 angeschlossene Versorgungs-

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gleichspannung für den Lastumformer ein zeitverhältnismäßig gesteuerter Kreis mit einer Ausgangsspannung, die zwischen O und 330 V Gleichspannung variierbar ist. Bei diesem Beispiel ist die an die positive Gleichspannungsklemme 30 angeschlossene Versorgungsgleichspannung für die Umsehaltimpulse erzeugender umformer eine Beihe von Brennstoffzellen mit einer Ausgangsspannung, die von 330 "bis 420 V Gleichspannung variiert. Der Steuerbereich des Ausganges dieses Umformers ist ohne weiteres so groß wie 20 zu 1 und kann zum Antrieb eines Wechselstrommotors in einem elektrischen Fahrzeug ver~ wendet werden.

Zusammenfassend kann durch Benutzung einer mriablen GleiehspannungsqLuelle für den Lastumformer 11 die Ausgangswechselspannung einer ümformersohaltungsanordnung über einen großen Bereich gesteuert werden, der leicht das Verhältnis von 10 zu übersteigt. Eine zuverlässige Umschaltung der torlosen Laststrom führenden Thyristoren in dem Lastumformer wird erreicht, weil die Quelle der ümschaltstromimpulse in Form des Hilfsumformers 12 dem Lastumformer einen festen oder vorbestimmten Umschaltstrom über den Steuerbereioh der variablen Versorgungsgleichspannung für den Laetumformer zuführt. Trennung zwischen der Quelle der Umeohaltstromimpulse und dem Lastumformer wird durch einen linearen Hochfrequenzkopplungstransformator erreicht. Wenn diese Umformer auch für einen Antrieb von Wechselstrommotoren mit variabler Geschwindigkeit besonders geeignet sind, so können sie doch für alle anderen Anwendungszwecke benutzt werden, die einen weiten Spannuhgssteuerbereich erfordern.

Patentansprüche 909820/0911 '

Claims

Patentansprüche:

1. Umformerschaltungsanordnung mit großem Spannungsregelbereich, gekennzeichnet durch einen Lastumformer (11) zur Erzeugung einer variablen Ausgangswechselspannung aus einer variablen Gleichspannungsquelle, der wenigstens zwei Laststrom führende Thyristoren (15, 17) aufweist, die im wesentlichen abwechselnd leitend gemacht werden und mit einem ersten Paar Versorgungsgleichspannungsklemmen (13, 14) verbunden sind, der weiterhin einen Umschaltkreis enthält, der jeden betreffenden Thyristor (15, 17) nach einer gewünschten leitenden Periode in den nichtleitenden Zustand überführt, sowie einen Kreis (12) zur Erzeugung von hochfrequenten Umschaltimpulsen entgegengesetzter Polarität zum Abschalten der bdb reff enden Thyristoren (15, 17) in dem Lastumformer, wobei dieser Kreis (12) mit einem zweiten Paar Klemmen (30, 3I) mit einer zweiten Spannungsquelle verbunden ist, einen linearen Hochfrequenzkopplungstransformator (24) zur Kopplung dieses Kreises (12) mit dem Umschaltkreis des Laatumformers (11), so daß von diesem Kreis (12) erzeugte Umschaltimpulse beider Polarität transformatorisch auf den Um-^V Schaltkreis des Lastumformers (11) übertragen werden, um vorbestimmte Umschaltströme zu erzeugen, die zur zuverlässigen Umschaltung der Thyristoren (15, 17) über den Bereich der Ausgangsspannung in jeweils entgegengesetzten Eichtungen fließen.

2. Sohaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der K_reis (12) zur Erzeugung hochfrequenter Umschaltimpulse einen Hilfsumformer enthält, der in aufeinanderfolgenden Halbperioden des Betriebs halbsinusförmige Umschaltstromimpulse entgegengesetzter Polarität erzeugt«

3 ο Sohaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreis (12) zur Erzeugung hoohfrequenter Umschaltimpulse einen durch Reihenkondensator (35, 36) umgeschalteten Umformer enthält, der in aufeinanderfolgenden HaIb-

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BAD ORIGINAL

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Perioden des Betriebs halbsinusförmige Umsehaltstromimpulse entgegengesetzter Polarität erzeugt, und daß der Hochfrequenzkopplungstransformator (24) mit seiner Primärwicklung (24p) an den durch Beihenkondensator (35, 36) umgeschalteten Umformer (12) und mit seiner Sekundärwicklung (24s) an den Umschaltkreis des Lastumformers (11) angeschlossen ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der durch Eeihenkondensator (35» 36) umgeschaltete Umformer (12) zwei an das zweite Paar Versorgungsspannenklemmen (30, 31) angeschlossene Hilfsthyristören (32, 34) enthält, die abwechselnd leitend gemacht werden, wenn die bezüglichen Laststrom führenden Thyristoren (15, 17) im Lastumformer (11) abgeschaltet werden sollen, um dadurch sinushalbwellige umsehaltstromimpulse entgegengesetzter Polarität in aufeinanderfolgenden Halbperioden des Betriebs des durch Beihenkondensator orngeschalteten Umformers zu erzeugen, und daß die Primärwicklung (24p) des Hochfrequenzkopplungstrans-Xormatore (24) «it Jedem der Hilfsthyristoren (32, 34) in Seihe geschaltet ist·

5. Schaltung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der üaschaltkreis je eine Blickkopplungsdiode (22, 23) enthält, die an die Lastklemaen jedes der Last strom führenden Xhyristoren (15, 17) angeschlossen ist, und daß Kondensatoren (25t 27) Torgesehen sind, um den Kreis für die in der Sekundärwicklung (24b) des Hochfrequenzkopplungstransformators (24) induzierten ö»sohaltimpulse zu schließen.

6· Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dafi der Last umformer eine im wesentlichen rechteckförmige Ausgangsep&nnung erzeugt, und daß eine Last (18) an einen Punkt «wischen den in Seihe geschalteten Thyristoren (15, 17) angeschaltet ist,

7· SolialtungeaxiQrdniiBg nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ibjrietor (15, 17) ein gesteuerter SiIizlumgleiolirichter ist, and daß der Bochfrequenzhilfsumfomer

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(12) wenigstens einen sinusförmigen Stromimpuls während jeder Balbperiode des Betriebs erzeugt·

8· Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Gleichspannungsquelle zur Versorgung des Hilfsumformers (12) eine Quelle fester oder konstant gehaltener Spannung ist·

9· Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren (25, 27) in Reihe geschaltet und an die Versorgungsgleichspannungsklemmen (13, 14) des Lastumformers (11) angeschlossen sind, und daß ihr Verbindungspunkt (26) an ein Ende der Sekundärwicklung (24s) angeschaltet ist, um den Kreis für die Umschaltimpulse zu schließen.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Sperrdioden (41, 42) in Reihe geschaltet und an die Versorgungsgleichspannungsklemmen (13, 14) des Lastumformers (11) angeschlossen sind, daß ihr Verbindungspunkt (40) an ein Ende der Sekundärwicklung (24s) angeschaltet ist und daß ein Kondensator (43) an dieselben Versorgungsgleichspannungsklemmen angeschlossen ist, um den Kreis für die Umschaltimpulse zu schließen.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 mit einem aus drei Einphasenumformern gebildeten Dreiphasenumformer, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Einphasenumformer (5QA, 5OB, 50C) über das erste Paar der Versorgungsgleichspannungsklemmen geschaltet ist, daß jeder Einphasenhilfsumformer (5IA, 51B, 51c) über das zweite Paar der Versorgungsklemmen geschaltet ist, und daß ein Dreiphasenwechselstrommotor (56) zwischen die Verbindungspunkte der Paare der Laststrom führenden Thyristoren in jedem Einphasenlastumformer geschaltet ist, wodurch der Motor in seiner Geschwindigkeit regelbar ist.

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