DE1914485A1

DE1914485A1 - Statischer Umformer ohne Ausgangstransformator

Info

Publication number: DE1914485A1
Application number: DE19691914485
Authority: DE
Inventors: Martin Henry Edward
Original assignee: UNITD AIRCRAFT CORP
Current assignee: UNITD AIRCRAFT CORP
Priority date: 1968-03-28
Filing date: 1969-03-21
Publication date: 1969-10-02
Also published as: NL6904704A; BE728056A; US3514688A; FR2004890A1; GB1217641A

Description

München, den 21.März 1969

United Aircraft Corporation, 400 Main Street, East Hartford, Connecticut 06108, Vereinigte Staaten von Amerika

Statischer Umformer ohne Ausgangstransformator

Die vorliegende Erfindung bezieht steh auf einen statischen former der keinen Ausgangstransformator besitzt, dessen Ausgangsspannung wenig ungeradzahlige Harmonische enthält, der im Kurzschluß und mit niedrigem Leistungsfaktor betrieben werden kann und dessen G-leichstromspitze beim Anlaufen niedrig ist.

Die Erzeugung von Wechselstromleistung aus Gleichstromquellen, wie etwa Batterien, ist seit langem in der Technik bekannt. Solche Systeme werden meistens als statische Umformersysteme bezeichnet, wenn keine umlaufende Maschine zur Leistungsumformung eingesetzt ist. Sowohl Einphasen- wie Merhphasenwechselstromleistung wurde mittels statischen Gleichstromquellen erzeugt. Die meisten der bekannten Systeme erfordern die Anwendung eines Ausgangstransformators, um so eine geeignete Beziehung des Wechselstromausgangs zum Erdpotential zu ermöglichen, ohne daß eine Rückwirkung zwischen dem Wechselstromkreis und dem Gleichstromkreis des Systems auftrat. Zusätzlich war der Ausgangstransformator nötig, um Phasenverschiebungen, die durch reaktive Lasten hervorgerufen wurden, aufzunehmen. So kann, wenn die Spannung positiv ist, der Strom negativ sein,und zwar jeweils in Ab-

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hingigkeit vom Leistungsfaktor d«s g«sp«ist«n Verbrauchers. Ein anderes Problem, das bei den bekannten statischen Umformern auftritt, besteht darin, dass Anlauf gleichstromspitzen wihrend des Anlaufens dieser bekannten Umformer auftreten, wegen der direkten Verbindung des Verbrauchers mit der Gleichstromquell· durch den Resonanzumformer.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein statischer umformer, der keinen Ausgangstransformator erfordert, der unempfindlich gegen Gleichstromanlauf spit sen ist, der phasenverschobenen Strom liefern kann, dessen Ausgangsspannung wenig ungeradzahlige Oberwellen enthXlt und der im Dauerbetrieb unter Kurzschlussbedingungen Leistung abgeben kann.

ErfindungsgeuSss wird ein stufenförmiger Wellenzug erzeugt um die sinusförmige Leistung ansumfhern. Diese Helle wird abwechselnd umgepolt um zwei Halbwellen zu erzeugen.und das Filtern am Ausgang glittet die bipolare Welle zu Wechselstromausgangsleistung. Weiterhin werden gemlss der vorliegenden Erfindung mehrere Schalter benutzt, um aus entsprechenden Potentialen solche auszuwählen, dass eine Stufenwelle erzeugt wird, und die ausgewählten Potentiale eine stufenförmige Anniherung einer Sinushalbwelle darstellen. Desweitem wird gemlss der vorliegenden Erfindung die Polaritlt der stufenförmigen Halbwellen abwechselnd umgepolt und eine Filtervorrichtung liefert eine im wesent-

, liehen sinusförmige Ausgangsleistung. Desweitem wird gernSss der vorliegenden Erfindung das Auswählen der Potentiale auf die niedrigsten Potentiale im Falle von einem Oberstrom begrenzt und dadurch ein verringertes Potential, mit wechselnder Polaritlt und im wesentlichen Rechteckwellenform unter Kurzschluesbedingungen erzeugt und diese Erzeugung kann im Dauerbetrieb aufrecht-

■> erhalten werden. Desweitern ist der Stufengenerator gleichstrommlssig von der Welle durch eine induktive Kopplung isoliert, so

* dass die üblichen Gleichstromanlauf spitzen beim Starten begrenzt werden.

', Es ist möglich in die vorliegende Erfindung viele bekannte Vor-' teile aus dem Stand der Technik aufzunehmen, so etwa die durch

Impulsbreitenmodulation gesteuerte Umschaltung, so dass die Ausgangsspannung durch Steuern des Schaltens des Gleichstromumforraereingangs sum Stufengenerator gesteuert wird, als auch das Steuern des Schaltens des Stufengenerators selbst.

Di« Erfindung wird nun an Hand der beiliegenden Zeichnungen, die eine bevorzugte Ausführung·form der Erfindung darstellen, nXher beschrieben werden. Darin zeigens

Figur 1 ein schematisches Blockdiagramm einer bevorzugten Aus-

fdhrungsform der Erfindung.

Figur 2 ein Diagramm welches die verschiedenen Wellerformen darstellt, die beim Betrieb der in der Figur 1 dargestellten AusfUhrungsform der Erfindung auftreten.

Figur 3 ein schematisches Diagramm eines Stufengenerators, der in der Ausfuhrungs form der Figur 1 gebracht werden kann.

Figur 4 ein schematisches Diagramm einer SchaJterbrucke, die geeignet ist, in der Figur 1 eingesetzt zu werden.

Ein die vorliegende Erfindung enthaltendes System ist in der Figur 1 dargestellt. Dieses System wandelt Gleichstroraleistung einer Gleichstromquelle 10 in 4OO Hertz Ausgangsleistung am Filter 12 um. Die Gleichstromquelle 10 kann «in· Batterie oder eine andere geeignete Gleichstromleistungsquelle sein und eine beliebige geeignete Spannung besitzen» weil die vorliegende Erfindung sich an eine grosse Anzahl von Leistungsquellen für eine grosse Anzahl verschiedener geeigneter Ausgangsleistungen anpassen lässt. Dies wird weiter unten nlher beschrieben werden. Die grundlegende Funktion des Systems ist am besten mit Bezug auf die Figur 2 beschrieben. Das Ziel der Ausfuhrungsform der Figur 1 ist es eine stufenförmige Welle X zu erzeugen, die von einem Rechteckwellentreibersignal Y getastet wird, so dass eine wechselnde, stufenförmige Wellenform Z entsteht, die nach Filtern, die durch die Welle W dargestellte sinusförmige Ausgangsform hat. IM dies zu erreichen, wird die Gleichstromleistungsquelle selektiv mit einem X>eistungs trans is tor 12 getastet, so dass ein Stromfluss durch die prima"re Wicklung 14 des Transfor-

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raators 16 entsteht. Die Sekundärwicklung 18 de· Transformators 16 besitzt eine Anzahl Abgriffe um so Gleichspannungeniveaus zur Auswahl durch den aufengenerator 20 zu erzeugen. Einzelheiten dieses Generators 20 sind in der hiernach beschriebenen Figur näher dargestellt. Der Resonanzuaformer 12, 16 wird »it Hilfe eines iiapulsbreitenraodulierten Treibers 22 gesteuert, dessen Frequenz mit einen geeigneten Oszillator 24 geregt wird. Mit des Zweck der Darstellung ist hier ein 32 Kilohertz Oszillator gezeigt. Jedesmal, wenn das Auegangssignal des irapulsbreitenmodulierten Treibers 22 positiv ist, wird der Transistor 12 leiten* und es wird Strom von der Gleichstronleistungsquelle 10 durch die Primärwicklung 14 des Transformators 16 fliessen.

Wegen der hohen Frequenz des impulsbreitenmodulierten Treibers 22 im Gegensatz zur Zeitkonstante der Primärwicklung 14 des Transformators 16 (siehe Wellenform F, Figur 2,zerkleinerte Zeitskala beachten), wird der maximale Strom, der durch die. primäre Wicklung 14 und den Transistor 12 in Abhängigkeit von d er Spannung der Gleichspannungsquelle 10 fliessen konnte, nie erreicht. Deshalb wird der maxiaale Strom,der in irgendeinem Zyklus des inpulsbreitenmodulierten Treibers 22 erreicht wird, eine Funktion der Impulsbreite des positiven Potentials des an die Basis des Transistors 12 gelegten Signals sein. Da dies so ist, ist durch Verändern der Breite des an den Tranaistor 12 gegebenen Signals, der maximal erreichbare Strom der Primärwicklung 14 während irgendeines Zyklus regelbar. Un diesen Vorteil auszunutzen spricht ein Spannungsvergleicher 26 auf eine Bezugsspannung 28 an, die z.B. durch eine über einen Reihenwiderstand ^₃ an die Gleichstromleistungsquelle 10 oder an ein anderes geeig- ° netes Gleichspannungspotential angeschlossene Zenerdiode vorge- °3 geben werden kann. Der andere Eingang des Spannungsvergleichers ο 26 ist der Ausgang eines Spannungsteilers bestehend aus einem -* Paar Widerstände 32, 30 die ihereseits zu einem Kondensator 34 ο parallel geschaltet wind, also die Spannung, die an den Verbindungspunkt der Primärwicklung 14 und des Kollektors des

Tranaletors 12 Ober eine Diode 36 angeschlossen ist. Die Durch- " Schnittspannung am Kondensator 24 ist eine Funktion des maxima-

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len Stromes, der in der Primärwicklung 14 während der Einschaltdauer des Transistors 12 erreicht wird, wobei der Verbraucher an den Stufengenerator 20 mit Hilfe der Schalterbrücke abgeschlossen ist. Wenn der Transistor 12 nichtleitend ist« fungiert die Primärwicklung 14 als Generator in Folge des Zusammenbruchs des magnetischen Feldes in der Primärwicklung 14. Dies treibt einen Stroa von der Quelle 10 zur Primärwicklung 14, der Diode 26 und den Widerständen 30, 32. Folglich ist der Eingang zu» Spannungsgenerator 26 von den Widerständen 30, 32 eine Funktion des Stromflusses in der Primärwicklung 14, und durch Vergleichen mit d4r Bezugsspannung 28, kann dies dazu benutzt werden, die Impulsbreite des Tastsignals, das an den Transistor 12 gegeben wird, zu steuern, und dadurch die Energiemenge, die an die Primärwicklung 14 des Tranfformators angelegt wird, zu regeln. Dies fuhrt dazu die Anlaufbedingungen für die Erzeugung des sinusförmigen Ausgangssignals zu regeln.

Wir beziehen uns nun auf die Figuren 1, 2 und 3. Der Stufengenerator 20 besitzt mehrere Dioden 38-41 und entsprechende Kondensatoren 42-45 wovon jeder einen Teil darunterteilten Sekundärwicklung 18 des Transformators 16 überbrückt. Im Betrieb wird jedesmal, wenn der Transistor 12 leitet und eine η Stromfluss durch die Primärwicklung 14 in Richtung des Pfeiles IB hervorruft, (nach unten in den Figuren 1 und 3), ein magnetisches Feld im Transformator 16 aufgebaut werden. Wenn der Transistor 12 aufhört zu leiten, bricht das magnetische Feld im Transformator zusammen, und ruft einen Stromfluss in Richtung Ic (nach oben in der Sekundärwicklung, siehe Figuren 1 und 3) hervor und lädt so alle Kondensatoren 42-45 mit der in der Figur 2 gezeigten Polarität auf (oben positiv). Wenn die Sekundärwicklung 18 des Transformators 16 und die Kondensatoren 42-45 unter allen Belastungsbedingungen innerhalb eines jeden Zyklus perfekt ausgewogen wären, wäre es nicht nötig, die Sekundärwicklung 18 zu unterteilen und auch die Dioden 39-41 wären überflüssig» Jedoch sichern diese Dioden eine ausgeglichene Teilung des Potentials zwischen den Kondensatoren 42-45. Ss soll beachtet werden, dass das Laden der Kondensatoren 42-45 auf einer zyklischen Basis

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wiederholt wird, mit der Frequenz mit der der Transistor 12 geschaltet wird (32 KHz ist vorliegenden Beispiel) . So werden in eine* 400 Hz Generator (wie la vorliegenden Beispiel)* die Kondensatoren 8O »al pro. Zyklus der Ausgangsspannung geladen. Deshalb ist es nicht notwendig das Schalten des Transistors 12 und den Betrieb des Generators 2O miteinander zu synchronisieren (wie weiter unten beschrieben wird)·

Wie aus der Figur 2 zu ersehen ist, wird wihrend der Zeit, wlhrend der das Signal Pl angeschaltet ist, der Ausgang des Stufengenerators 20, der aus einem Paar Anschlussklemmen 46, 48 (rechts in der Figur 3), besteht, die Spannung am Kondensator 45, der über die Diode 5Oa die Klemme 46 angeschlossen ist, führen. Diese Kopplung ist automatisch als Folge der Vorspannung der Diode 50 und sie benutzt das Schaltsignal Pl närht, um den Kondensator 45 an die Klemme 46 anzuschliessen. während der Zeit da das Signal P2 angeschaltet ist (Figur 2), wird ein positives Signal Ober den Transformator 52 (Figur 3) an die Basis des Transistors 54 angelegt, wodurch der Transistor 54 leitet und die positive Seite des Kondensators 44 an die Anschlussklemme 46 anschliesst. Dies bewirkt, dass die Diode 50 gesperrt wird, so dass sie nicht mehr leitet, und es besteht so keine direkte Verbindung mehr von der positiven Seite des Kondensators 45 zur Klemme 46. Anstatt dessen sind nun die Reihenkondensatoren 44 und 45 Ober den Transistor 54 zwischen die Klemmen 46 und 48 geschaltet. Bine Diode 56 liegt in Reihe mit dem Kollektor des Tranaistors 54 und ist so angeschlossen, dass sie durch die Spannung an den Kondensatoren 44, 45 entriegelt wird, wenn der Transistor 54 leitet. Der Zweck der Diode 56 ist einen Übergrossen Leckstron durch den Transistor 54 zu vermeiden, wenn dieser abgeschaltet ist (was noch beschrieben wird), als Resultat der Sperrung. In Ihnlicher Weise verhindert eine Diode 58 eine Übersteuerung in Sperr ich tung eines Transistors 60 und eine Diode 62 eine Übersteuerung in Sperrichtung eines Transistors 64. WShrend der Zeit, da das Signal P3 anliegt, wird über einen Transformator 66 ein positives Signal an die Basis des Transistors 60 angelegt, woduch dieser Transistor über die

Schutzdiode 58 leitet. Ia selben Augenblick verschwindet das Signal P2, so dass kein positives Signal mehr an der Basis des Transistors 54 anliegt. Es sei beachtet, dass, wenn der Transistor 50 zu leiten anfängt und der Transistor 54 zu leiten aufhört, die Diode 5O noch gesperrt ist, so dass das Potential zwischen den Kleinen 46 und 48 jetzt gleich der Summe der Spannungen an den drei Kondensatoren 43-45 ist. Wenn das Signal 54 (Figur 2) erscheint, wird ein positives Signal Ober einen Transformator 68 an die Basis eines Transistors 70 gekoppelt, so dass er leitet und das Signal an der Basis des Transistors 60 verschwindet, so dass dieser nichtleitend wird. Dadurch wird die volle Spannung der vier Kondensatoren 42-46 an die Ausgangsklemmen 46 und 48 angeschlossen. Bs sei bemerkt dass der Transistor 7O keine Schutzdiode wlhrend der Sperrung braucht, da er nicht gesperrt ist, weil kein positives Potential bezüglich seines Kollektors an seinem Emitter anliegt und da es keine höheren Potentiale gibt als dasjenige, das vom Transistor 70 geschaltet wird.

Jede Diode 38-41 ergibt eine direkte Kopplung der Leistung von einem entsprechenden Teil der TransforaatorsekundSrwicklung 18 axt die Ausgangsklemme 45, jedesmal wenn die entsprechende Diode 50, oder die entsprechenden Transistoren 54, 60, 70 leitet. Z.B. wShrend der Zeit da das Signal P2 anliegt, wird die Leistung direkt von den beiden ersten Teilen der Sekundärwicklung über die Diode 40, die Diode 56 und den Transistor 54 an die Ausgangsklemnte 46 geleitet. Dies überwindet das Aufkommen von verschiedenen Belastungen und Spannungeunterschieden zwischen den Kondensatoren 42-55, die auftreten wurden als Folge des Belastungseffektes des Ausgangs wShrend den verschiedenen Zeiten (P1-P4), wlhrend denen die verschiedenen Kondensatoren 42-45 durch den Ausgangskreis belastet werden.

WShrend der Zeit Pl bewirkt ein Transformator 72 ein positives Potential an der Basis des Transistors 64, so das3 dieser Transistor leiten kann. Bs soll beachtet werden, dass der Zweck dieses Transistors nicht in der Grundleitung besteht (welche durch die Diode 50 übernommen wird). Stattdessen führt der Transistor

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' gegenüber der Spannung phasenverschobenen Strom als Folge von einem induktiven Belastungsstrom. Wenn die Ausgangswechselspannung z.B. von negativen Werten zu positiven Werten hin durch Hull geht, kann der 8trom als Folge der Induktanz der Belastung noch negativ sein und einen nacheilenden Strom verursachen· Wie hiernach beschrieben wird, kann dieser nacheilende Strom fiber die Schalterbrücke xurflck an den Stufengenerator gekoppelt werden, und dies geschieht wlhrend der Zeit da die Diode So eine leitende Verbindung zur Klemme 46 herstellt, wie vorhin beschrieben. Diese Zeit stimmt mit der Zeit Ob·rein da das Signal Fl vorliegt (Figur 2), weil diese eine Periode innerhalb des Zyklus ist, wlhrend die Ausgangsspannung von negativen Werten zu positiven Werten hin durch Mull geht, oder umgekehrt, wie es durch die Wellenform W im Gegensatz zur Wellenform X dargestellt ist, (Figur 2).

Der Transistor 70, der die höchste Spannung an die Ausgangsklemmen 46 anlegt, ist mit einer Diode 74 überbrückt um Oberginge am Transistor 7O vorbeizuleiten, die als Folge von zwei verschiedenen Phänomenen auftreten. Erstens, wenn der Transistor 70 abgeschaltet wird, (am Snde der Zeit F4), flllt die Spannung sofort ab, so dass eine induktive Last einen induktiven Spannungsstoss verursachen kann. Zweitens, wenn die Polarität der Schalterbrücke umgepolt wird, (wie niher mit Bezug auf die Figur beschrieben) ist es möglich Spannungsspitzen zu erzeugen, insbesondere wenn hochinduktive Belastungen am Wechselspannungsausgang angeschlossen sind. Die Diode 74 begrenzt die Grosse dieser Spannungsspitsen auf die maximale Spannung, die an den Kondensatoren 42-45 erscheint, durch Anschalten der Auegangsklemme 46 an die positive Seite des Kondensators 42.

° Die genaue Spannung an jedem der Kondensatoren 42-45 wird in

^ geeigneter Weise eingestellt durch Anbringen der zugehörigen

ο Klemmen am Transformator 18, so dass die Grosse der erzeugten

-* Stufen (Wellenform X, Figur 2) mit Polaritltwechsel (Wellen-

-j form Z) so ist, dass, wenn eine geeignete Filterung erfolgt, co

die Wellenform Z eine Sinuswelle ungefähr annähert· Deshalb

- kÖAnai die Klemmen vorzugsweise so eingestellt werden, dass die

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Spannung a» Kondensator 42 grosser oder kleiner als die Spannung am Kondensator 43 ist, und dessen Spannung kann h$her oder niedriger als die Spannung an den Kondensatoren 44 oder 45 sein·

Der Ausgang des Stufengenerators 20 (Figur 3) ist an die Schalterbrflcke 80 angeschlossen« wie es im einseinen in der Figur 4 dargestellt ist. Die SchalterbrBcke wird durch eine Rechteckwelle gesteuert« die von einem Rechteckwellentreiber 82 abgeleitet wird, der seinerseits von einem 400 Hz Oszillator 82 gesteuert wird. Die Frequenz des Oszillators 84 ist für die Frequenz der Ausgangsleistung bestimmend. So kann ein 50 Hz Oszillator gebraucht werden um üblichen Haushaltsstrom mit dem vorliegenden Apparat zu erzeugen. Zn der Figur 4 wird das steuernde Rechteckweilensignal (Wellenform Y, Figur 2) an die Primärwicklungen 86« 88 eines Paares Transformatoren 90, 92 angeschlossen. Jeder der Transformatoren 90« 92 hat ein Paar SekundSrwicklungen 94, 96« 98, 100. Wie durch die Punktierung der Figur 4 angedeutet ist, sind die Sekundärwicklungen von jedem Transformator gegenphasig gepolt in bezug auf die Basen der von ihnen gesteuerten Transistoren. Zuerst sei ein Zeitpunkt betrachtet« in dem die Wellenform Y (Figur 2) relativ positiv ist. Zum Zwecke der Darstellung sei angemommen, dass eine Leitung 1O2 vom Rechteckwellentreiber positiv und eine Leitung 104 vom Rechteckwellentreiber negativ ist. Dies macht die mit einem Punkt versehene Seite derPrimärwicklungen 86, 88 positiv« so dass die mit einem Punkt versehene Seite der Primärwicklungen negativ sind. Also liefert die Sekundärwicklung 94 ein positives Signal an die Basis eines Transistors 106, so dass Strom vomder Anschlussklemme 64 durch den Transistor 106 zu einer Anschlussklemme 108 fliesst. Die Sekundärwicklung 100 legt in gleicher Weise ein positives Signal an die Basis eines Transistors 110, so dass er Strom fuhrt von der Anschlussklemme 48 zu einer Anschlussklemme 112. In diesem Zeitpunkt legt die Sekundärwicklung 96 eine negative Spannung an die Basis eines Transistors 114 und in ähnlicher Weise legt die sekundäre Wicklung 98 eine negative Spannung an die Basin eines Transistors 116, so dass diese Transistoren gesperrt sind. Als nächstes betrachten wir einen Zeitpunkt in dem die Wellenform Y relativ negativ ist,

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und so die Leitungen von dera Bechteckwellentreiber zur Schalterbrücke eine derartige Spannung führen, dass die Leitung 1Ο4 positiv und die Leitung 102 negativ ist. Dadurch werden die Enden der Primärwicklungen, die nicht Mit einen Punkt versehen sind« positiv« so dass die Enden der Sekundärwicklungen, die nicht mit einem Punkt versehen sind, auch positiv sind. Also legt die Sekundärwicklung 96 jetzt ein positives Potential an den Transistor 114 _# so dass er Strom führt von der Anschlussklemme 48 zur Anschlussklemme 108, die Sekundärwicklung 96 legt ein positives Potential an de Basis des Transistors 116, so dass er Strom führt von der Anschlussklemme 46 zur Anschlussklemme 112 _β Zu diesem Zeitpunkt wird ein negatives Potential durch die Sekundärwicklungen 94 und 100 an die Basen der Transistoren 1Ο6 und HO geschaltet, so dass dieselben gesperrt stind. Folglich kehrt die Schalterbrücke die Polarität der Anschlussklemme 1O8, 112 in bezug auf da Anschlussklemmen 46, 48 abwechselnd um.

Infolge der nacheilenden Ströme, die durch induktive Verbraucher hervorgerufen werden (wie kurz vorhin beschrieben), ist es möglich, dass der Strom negativ in bezug auf die Spannung in dera Zeitpunkt ist, da die Spannung durch Null geht (Wellenform W, Figur 2) . Man betrachte zuerst einen Zeitpunkt in dem die Schalterbrücke 80 eben vom positiven Halbzyklus auf den negativen Halbzyklus umgeschaltet wurde. Die - Transistoren 114 und 116 werde» leitend, um so ein positives Potential an der Anschlussklemme 112 und ein negatives Potential an der Anschlussklemme 1Ο8 zu geben. Jedoch war die Anschlussklemme 103 vorher positiv und der Strom sollte aus der Anschlussklemme 1Ο8 gerade vor dem Schalten herausfliessen. Wenn der Strom gegenüber der Spannung nacheilt, mochte der Strom noch über die Anschlussklemme 108 hinaus und in die Anschlussklemme 112 hi.neinflies.ien. Jedoch kann der Strom nicht vom Emitter zum Kollektor des Transistors 116, von der Anschlusskleasie 112 zur Anschlussklemme 46 fliessen. in

ähnlicher Weise kann der Strom nicht von der Anschlussklemme und von dem Emitter zum Kollektor des Transistors 114 zur Anschlussklemme 108 fliessen· Aus diesem Grunde sind entsprechende Dioden 118, 120 vorgesehen, um dem Strom zu erlauben um den Tran-

a is tor herum zu iliesaen, wenn de* Strom der Polarität der Spannung entgegengesetzt ist. In ähnlicher Heise überbrücken zwei Dioden 122, 124 die Transietoren 106, 11O. Es sei hervorgehoben, dass diese Dioden lasier in Sperrichtung vorgespannt sind, wenn die entsprechenden Transistoren abgeschaltet sind. In dem betrachteten Beispiel ist der Transistor 1O6 abgeschaltet, aber die Anschlussklemme 1O8 ist sit der Anschluss*! enme 48 verbunden und deshalb ist die Anode der Diode 122* an ein negatives Potential angeschlossen, wShrend die Kathode an das positive Potential der Anschlussklemme 46 angeschlossen ist. Ih Ihniicher Weise ist die Kathode der Diode 118 immer an die positive Anschluasklessae 46 angeschlossen, wenn der Transistor 116 nichtleitend ist, der Transistor HO verbindet die Anode der Diode 118 «it der Anschluss klemme 48. In ShnlichssWeise ist die Anode der Diod« 120 an die negative AnschluasklesBie 48 angeschlossen und ihre Kathode ist Ober ein den Transistor lO6 mit der positiven Klemme 46 verbunden, wenn der Transistor 114 nichtleitend ist« und der Transistor 106 deshalb leitend ist. Dasselbe ist richtig für die Diode 124. Betrachtet man den Transistor 116 leitend« dann ist die Sperrspannung von der Diode 118 entfernt, so dass sie jeden negativen Strom durchlassen kann. So besorgt die hier gezeigte Schalterbrücke nicht nur die Umkehr der PolaritSt der wechselnden HaIbzyklusse, um so einen bipolaren Ausgang zungeben,aller sie erlaubt nacheilenden Strömen entgegen der Richtung der von der Schalstrbrücke hervorgerufenen Spannung su fHessen. Dies ist eines der Merkmale der vorliegenden Erfindung.

Der Ausgang der Schalterbrücke 80, die im einzelnen in der Figur 4 dargestellt ist, wird an das Filter 12 (Figur 1), angeschaltet. Da kein Aus gangs transformator benfctzt wird, und ein gegenüber der Erde syonetrischer Ausgang gegeben ist, wie vorhin beschrieben kann das Filter irgendeine geeignete Form haben, inklusiv einem einfachen L-Filter mit einer ReiheninduktivitSt und einem Kondensator parallel zu den Ausgangsklemmen. Irgendeine andere geeignete Filter form kann zur Ansassung an die besondere GerSteschaft der vorliegenden Erfindung und des damit gespeisten Verbrauchers benutzt werden. Der Ausgang des Filters bildet den Ausgang des sta-

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- 12 tischen Umformers an dem Anschlusaklemmenpaar 126, 128.

Ein anderes Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass dex etatische Utaformer eine Vorrichtung begreifen kann, die es erlaubt in einer geänderten Aus fuhrungs form unter Kurzschluss-* bedingungen zu arbeiten (d.h. mit zu großβem strom). Zu diesem Zweck kann ein Kurzschlussfühler 130 auf eine Stromüberwaehungsvorrichtung, wie etwa einen induktiv gekoppelten Stromwandler 132, ansprechen und der Kurzschlussfühler 130 kann ein Signal als Folge einer Strcmüberschreitung von vorher bestimmter Amplitude erzeugen. Z.B. kann der Kurzschlussfühler 130 ein Signal erzeugen, um eine Anzahl der Tore 134 in Abhängigkeit von einem überstrom zu sperren. Die Tore 134 können einfache UND-Schaltungen sein, und das vom Kurzschlussfühler 120 erzeugte Signal kann ein negatives oder (Sperr-6ignal) sein. Es sind Tore vorgesehen (siehe Figur 1), um zu verhindern, dass die Signale P2, P3 und P4 (Figuren 2 und 3) die zugehörigen Transformatoren 52, 66, 68 erreichen. Dies verhindert seinerseits das Einschalten der Transistoren 54, 60, 70 so dass nur die erste Stufe der Stufenwelle erzeugt wird, wenn immer der Kurzschluss fühler ein Signal an die Tore 134 abgibt. Dadurch wird eine im wesentlichen rechteckfCaanige Ausgangswelle (sehr Ähnlich der Wellenform Y in Figur 2) erzeugt, wenn ein überstrom festgestellt wird. Der Zweck dieses Merkmale der Erfindung ist die Aufrechterhaltung der Leistung^lieferung durch die Vorrichtung, aber mit reduzierter Spannung, so das* der angerichtete Schaden minimal ist. Andererseits ist die Aufrechterhaltung der Leitungsabgabe der vorrichtung unter Kurzschlussbedingungen vorteilha ft, da diese benutzt werden kann um Leitungsechalter, die in Reihe zur Belastung an

co die Ausgangsklemmen 126, 128 angeschlossen sind, zu betätigen,

co und dadurch die Kurzschlussbedingungen aufzuheben. Zu bemerken

^ ist, dass das Signal Pl nicht daran gehindert wird, den Transfor- ° mator 72 zu erreichen, so ist die Umleitung der nacheilenden ^ StBDme über die Diode 50 (vorhin beschrieben) selbst unter Kurz- -J Schlussbedingungen möglich* Desweitern zeigt der Betrieb des Stufengenerators 20 der Figur 2, wie vorhin beschrieben, den Vorteil der Anwendung einer Diode 50 als Schalter für die erste

Stufe, die Diode 50 wird durch eine Sperrspannung gesperrt, wenn die Transistoren 54, 60 oder 70 leiten, und die Diode 50 hllt andererseits die Leitung vom Kondensator 55 zur Ausgangsklerame 46 aufrecht. So ermöglicht diese Diode automatisches Schalten für Noxmalbetrieb und für konstanten Niederspannungsbetrieb in Stufe 1 während des Kurzschlussbetriebs, wenn die Transistoren 54, 60 und 70 abgeschaltet sind.

Die Otufengenaratorenateuerjignale P1-P4 werden mit einem mpulsbreitenmodulation^treiber 136 erzeugt, dessen Steuerung von einem Etequenzvervielfacher 133 erfolgt, der seinerseits von dem 400 Hz-Oszillator 84 gesteuert wird. Der Frequenzvarvielfächer 133 wird dazu benutzt um acht verschiedene Zeiten, dargestellt in Figur 2, au geben, die den verschiedenen vom Stufengenerator 20 erzeugten Stufen, wie vorhin beschrieben, entsprechen. Die Modulation (d.h. die Breite der verschiedenen Signal P1-P4) des Impulsbreitenmodulationstreibers 136 kann durch den Ausgang eines Spannungavergleichers 140 erfolgen, der auf eine Bezugsspannung 23 und die Ausgangsspannung des Gleichrichters 142, der «in Gleichstromaignal entsprechend der Amplitude der Wechselstromausgangsspannung an den Klemmen 126, 128 abgibt, anspricht. Der Gleichrichter 142 kann eine beliebig«, geeignet·, konventionelle Typ· 3«in.

Ein Merkmal der Erfindung ist die Tatsache, .dass die Anlaufgleichstromspitzen minimal gehalten werden. Dies folgt aus der Tatseche dass im Gegensatz zu QbIichen, statischen Umformern, die einen einfachen induktiven Resonanzgenerator benutzen, die vorliegende Erfindung eine induktive Kopplung in die Resonanz mit Hilfe des Transformators 16 hineinbringt» So ist die einzige Energie, die an den Ausgangskreis nach dem Start abgegeben werden kann. Energie die durch den Transformator 16 übertragen wird. Dies unterscheidet sich von üblichen Resonanzgeneratoren, in den eine einzige Induktanz geladen wird, und eine direkte Verbindung vonder Induktanz sue sich ladenden Kapazität besteht, und diese direkte Verbindung kann die direkte Belastung der Gleichspannungsquelle während des Anlaufs herbeiführen,. So begrenzt die vorliegende Erfindung den Strom unter maximalen Lastbedingungen, beim Anschalten des Uaafor-

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merausgangs an den Verbraucher.

Obscbon sie keinen Teil der Erfindung bilden, geben die Impulsbreitenmodulatoren 22, 136 eine gut· Spannungsreglung in der vorliegenden Erfindung. Die Breite jeder Stufe kann durch den !'reiber 136 eingestellt werden um die Spannung in Abhängigkeit von den Belastungsbedingungsn einzustellen, und der Treiber 22 kann den Arbeitszyklus des Transistors 12 einstellen, um den an den Transformator 16 übertragenen Energiebetrag zu steuern,, Solche Impulsbreitenmodulations treiber sind in statische» Uiafosaorsi bekannt und deren Betrieb wird deshalb hier nicht beschrieben. Jedoch sei bemerkt, dass die vorliegende Erfindung mit solchen Spannung regler« kompatibel ist, und dass die ifoifceile «ä@2r Er- ^ i:inciting den Entwicklungsaufwand bekannter, statischer ümfosaaas nicht im Wert herabsetzt.

Die vorliegende Erfindung ist an Hand eines Einphasenutaformers beschrieben. Es soll jedoch beachtet werden, dass Mehrphasenausgänge mit Hilfe der Lehre der vorliegenden Erfindung aufgebaut werden können. Wenn z.B. der Transformator 16 mit drei Sekundärwicklungen versehen, jede ihrem eigenen Stufengenerator, Schalterbrücke und Filter zugeordnet, und die Steuerung der Schalterbrücken der drei Phasen richtig synchronisiert wäre, dann könnte din Dreiphaeenausgang sehr leicht aufgebaut werden. Natürlich wären zusätzliche Vorkehrungen notwendig um die Ausgangsaignale des Impulsbreitcnmodukbionstreibers 136 weiterzuleiten, eine einfache Form würde acht verschiedene Steuerperioden *

vorsehen, jede Steuerperiode würde über logische Schaltkreise in geeigneter Weise geschaltet, so dass die Erzeugung von Stufen in den verschiedenen Stufengeneratoren in einei^geeigneten Art be-

C₀ wirkt würde.

^o In ähnlicher Weise sind die hier angegebenen Frequenzen (d.h.

■t- ein 32 KHz Resonanzgenerator und ein 400 Uz Aus gangs signal) rein

■^ darstellend und viele Kombination können in einer gegebenen Aus- _* führungsform angewandt werden. Es sei weiter bemerkt, dae#,ob- ^ schon ein neuer Stufengenerator mit verschiedenen Vorteilen hierin beschrieben wurde, der gesamte Schaltkreisbetrieb durch An-

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wenden einer SSgosalmoteuerung erfolgen "kann, in der auf Spannungen iveau ansprechende Vörrichttmgen, die auf eine symmetrische dreieck£8rmicre SSgezahnwelle ansprechen betrieben werden, um so das Einschalten der aufeinanderfolgenden Schalter (wie im Stefengenerator 20} in Abhängigkeit von gegebenen Potentialen zu bewirken. Alternativ kann das Ausgangssignal des 400 Uz Oszillators 84 benutzt werden um die Spannungaabhängigen Schalter, die die Transistoren des Stufengenerators 20 einschalten, zu steuern, wodurch das System im wesentlichen einen Verstärker darstellt.

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Claims

PATEHTANS PRUECHE

1,) Ein statischer Umformer, gekennzeichnet durch eine mehrere Gleichspannungspotentiale führende Stromquelle und einer eine Reihe auf- und niedersteigender Stufenwellenformen durch aufeinanderfolgendes Auswahlen von aufeinanderfolgend höheren und aufeinanderfolgend niedrigeren Potentialen der Gleichstromquellen erzeugendenAuswahlvorrichtung.
2. Der statische Umformer gemSss Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine jede zweite Stufenwellenform umpolende Sehaltervorrichtung.
3. Die Vorrichtung geraSse Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine auf den Ausgang der Schaltervorrichtung ansprechende die wechselnden Stufenwellenformen durch GlStten an die Sinusform annähernde Filtervorrichtung.
4. Der statische Umformer gemäss einem der Ansprüche 1=3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichstromquelle aus mehreren in Reihe geschalteten Spannungequellen besteht und, dass die Auswahlvorrichtung die selektive Verbindung ausgewählter Punkte der Reihenschaltung reit einem gemeinsamen Ausgangspunkt herstellende Mittel besitzt.
5. Der statische Umformer gemXss den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichstromquelle einen Transformator mit unterteilter Sekundärwicklung,mit einer zyklisch an eine Primlrgleichspannungsquelle mit einer gegenüber der Frequenz der Stufenwellenform grossen Frequenz angeschlossenen Primärwicklung, und mehrere Kondensatoren und Dioden besitzt, wobei mindestens ein Kondensator für jede Unterteilung der SekundSr-

^₀ wicklung vorgesehen ist und unter Zwischenschaltung einer Diode ° parallel zu diesem Wicklungsteil liegt.

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6. Der statische Umformer gemäss Anspruch 5, dadurch ge- ° kennzeichnet, dass jede Diode so gspolt ist, dass sie den Strom- ^ fluss von dem zugehörigen SekundSrwicklungsteil in den zugehöri- ^ gen Kondensator während des Stromflusses in der Primärwicklung verhindert.
7. Der statische umformer gemSss den Ansprüchen lr<3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahlsvoixichtung phasenverschobenen Strom mindestens während der Perioden in denen ein bestimmtes der Gleichspannungspotentiale ausgewählt ist führenden Mittel begreift und, dass die Schaltervorrichtung, aus einer Brückenschaltung von in einer Richtung leitenden, gesteuerten Schaltervorrichtungen besteht, wobei jede Schaltervorricbtung durch eine gegensinnig gepolte Diode überbrückt ist.
8. Der statische Umformer geraäss den Ansprüchen 1-7, gekennzeichnet durch eine die maximale Ausgangsspannung reduzierende auf AusgangsüberstrSine ansprechende Vorrichtung.
9. Der statische Umformer geraSss dem Anspruch Q dadurch gekennzeichnet, dass die auf den Ausgangsüberstrom ansprechende Vorrichtung die Auswahl mindestens eines Gleichspannungspotentials blockiert.

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