DE1957103C2 - Umformer zur Erzeugung eines Wechselstroms aus einer Gleichspannungsquelle - Google Patents

Description

^ ___ ___ über Schwingkreiskondensatoren miteinander in Reihe

abwechselnden periodischen Verbinden der Dros- 15 geschaltet sind, wobei diese Reibenschaltung an die seispulen (t, 2) mit der Gleichspannungsquelle (7) Klemmen einer Gleichstromquelle angeschlossen ist Jeausgebildetsind, dadurch gekennzeichnet, de Reihenschaltung aus einem Schwingkreiskondensa-(jaß tor and einer Primärwicklung ist durch eineR steuerba

ren Gleichrichter bzw. Thyristor überbrückt Fernem

jede Drosselspule (1,2) die Primärwicklung ei- 20 liegtdie Sekundärseite jedes Transformators über einen nes Transformators ist; Gleichrichter zu den Klemmen der Gleichstromquelle

jeder Transformator eine Sekundärwicklung (9, parallel. Durch eine Logikschaltung werden die steuer-8) trägt, die in Reihe mit einem H-lfsschaltglied baren Gleichrichter derart gesteuert, daß sie leitend (10, 11), das eine steuerbare Leitfähigkeit auf- werden, wenn zuvor durch die Gleichrichter ein Strom weist, an die Klemmen der Gleichspannungs- 25 geflossen ist Durch diese Maßnahmen soll ein automatiquelle (7) angeschlosseu ist; scher Überlastschutz erreicht werden.

- ■ ■ Ferner ist aus »IEEE Transactions on Industry and

General Applications«. Jan, Feb. 1968, S. tO6, ein Umformer bekannt, bei dem die Primärwicklung eines Transformators ia Reihe mit einem Thyristor zwischen dem Lastkreis und der Gleichspannungsquelle liegt Die durch eine Diode überbrückte Sekundärwicklung des Transformators ist ferner durch eine Reihenschaltung aus einem Thyristor und einem Kondensator überr > brückt Über die die Sekundärwicklung überbrückende Diode flieUl die Ladung ab, die bei einer Energierückspeisung aus dem Lastkreis induziert wird.

Ausgehend vom Stand der Technik nach der FR-PS 14 01 682 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Umformer zur Erzeugung eines Wechselstroms aus einer Gleichspannungsquelle zu jchaffen, der eine praktisch trägheitslose Beeinflussung der Amplitude des Wechselstromes durch ein elektrisches Steuersignal und dadurch insbesondere eine Amplitudenmodulation des

Umformer zur Erzeugung eines Wechselstromes aus einer Gleichspannungsquelle, mit zwei in Reihe miteinander und mit zwei. Hauptschaltgiiedern (5,6) zwischen die Klemmen der Gleichspannungsquelle (7) geschalteten und auf getrennten Kernen liegenden Drosselspulen (1, 2), welche die induktiven Zweige eines Schwingkreisgliedes bilden, dessen kapazitiver Zweig durch einen an den gemeinsamen Schaltungspunkt der induktiven Zweige angeschlossenen Kondensator (3) gebildet ist, wobei db Hauptschaltglieder (5,6) mit steuerbarer Leitfähigkeit zum

die Amplitude des Wechselstroms durch ein Steuersignal modulierbar ist, das die Leitfähigkeit der Hilfsschaltglieder (10, 11) zur periodischen Rückführung eines veränderlichen Energieanteils zu der Gleichspannungsquelle (7) steuert

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Die Erfindung betrifft einen Umformer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Ein solcher Umformer ist aus der FR-PS 14 01 682
bekannt Er enthält zwei auf getrennten Kernen liegende Drosselspulen, die in Reihe miteinander und mit zwei
Hauptschaltgiiedern zwischen die Klemmen einer
Gleichspannungsquelle geschaltet sind. Die Drosselspulen bilden die induktiven Zweige eines Schwingkreisgliedes, dessen kapazitiver Zweig durch einen Konden- 45 Wechselstroms durch ein Modulationssignal ermöglicht.

sator gebildet ist, der an den Verbindungspunkt zwischen den beiden induktiven Zweigen angeschlossen ist. Die Hauptschaltglieder besitzen eine steuerbare Leitfähigkeit und werden so gesteuert, daß sie die Drosselspulen abwechselnd periodisch mit der Gleichspannungsquelle verbinden. Wenn eine Modulation des Wechselstroms gewünscht wird, so kann diese nur dadurch erhalten werden, daß die aus der Gleichspannungsquelle gelieferte Gleichspannung entsprechend moduliert wird, was mit hohen Encrgieverlusten verbunden ist

Aus der US-PS 31 96 336 ist ein Wechselrichter bekannt, bei dem die Amplitude des erzeugten Wechselstromes zur Konstanthaltung der Ausgangsspannung bei wechselnder Belastung gesteuert werden kann. Die beiden Hälften der Primärwicklung eines den Lastkreis ω speisenden Ausgangstransformators bilden zwei induktive Zweige, deren Mittelanzapfung mit einer Klemme der Gleichspannungsquelle verbunden ist. Die beiden Hälften einer auf dem Ausgangstransformator aufgebrachten Sekundärwicklung sind über Hilfsschaltglieder in Reihe mit einer Drosselspule an die Klemmen der Gleichspannungsquelle angeschlossen. Auf diese Weise ist eine Hilfsbelastung parallel zu dem Hauptlastkreis Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die gekennzeichneten Merkmale des Patentanspruchs gelöst.

Ausführungsb*.ispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt Darin zeigt

Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines Umformers bekannter Art,

F i g. 2 bis 6 Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise des Umformers,

Fig. 7 das Schaltbild einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umformers,

Fig. 8, 9, 10 Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise des Umformers nach F i g. 7 und

F i g. 11 das Schaltbild einer zweiten Ausführungsform des Umformers.

Der in F i g. 1 gezeigte Umformer enthält eine Gleichspannungsquelle 7 und einen dreipoligen Schwingkreis mit zwei gleichen Drosselspulen 1 und 2 und einem Kondensator 3. Der von dem Umformer abgegebene Strom /(. fließt durch die Lastimpedanz 4, an deren Klemmen sich die Spannung V_L bildet. Die Spannung E₀ der Spannungsquelle 7 wird periodisch an die obere Klemme der Drosselspule 1 über ein als steuerbares Gleichrichterelement ausgebildetes Schaltglied 6 ange-

legt Ein weiteres als steuerbares Gleichrichierelemeni ausgebildetes Schaltglied. 5 ist zwischen der unteren Klemme der Drosselspule 2 und dem Masseanschluß des Umformers angeordnet

Durch die Drosselspulen 1 und 2 fließen die Ströme /Ί und /2. Die Spannungen an den Klemmen dieser Drosselspnlen sind mit V_t und V2 bezeichnet Zwischen den Belägen des Kondensators 3 besteht die Spannung Vc-

Die Schaltglieder 5 und 6 besitzen eine Steuerelektrode, an welche Strom- oder SpannungsimpuJse angelegt werden, welcne diese Schaltglieder zünden und dadurch stromführend machen. Die Stromführung hört auf, wenn der Durchlaßstrom unter einen Schwellenwert gefallen ist oder seine Polarität umkehrt Die Schaltglieder 5 und 6 können beispielsweise durch Thyratrons oder durch Thyristoren gebildet sein, wobei die Steuerelektrode im ersten Fall ein Gitter, im zweiten Faif ein HaIbleiterkontakt ist

Der Betrieb des Umformers von Fig. 1 beginnt mit der Stromführung des Schaltgliedes 6. Der Schwingkreis empfängt dann die in Fig.2 dargestellte Spannung U. Ein- Strom /1. der gleich dem Strom //. ist, bildet sich in der Drosselspule 1, dem Kondensator 3 und der Last 4 aus. Der Strom k ist in Fig.3 dargestellt; er wächst von 0 bis U und nimmt dann von fi bis U ab.

Im Zeitpunkt U wird das Schaltglied 6 gelöscht und ein an das Schaltglied 5 angelegter Impuls bringt dieses in den Zustand der Stromführung. Dann bildet sich ein Strom h gleich dem Strom i'l in der Drosselspule 2, dem Kondensator 3 und der Last 4 aus. Dieser Strom wächst dem Absolutwert nach von U bis is, und er nimmt anschließend von ts bis k ab. Im Zeitpunkt h wird das Schaltglied S gelöscht und ein neuer Impuls, der an das Schaltglied 6 angelegt wird, bringt dieses in den Zustand der Stromführung, damit der nächste Arbeitszyklus eingeleitet wird. Aus F i g. 3 ist zu erkennen, daß der in der Last 4 fließende Strom k im wesentlichen sinusförmig ist. Der Spannungsabfall V_L an den Klemmen der Last 4 ist gleichfalls sinusförmig, wie in Fig. 4 dargestellt ist F i g. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannung V_c, die an den K'emmen des Kondensators 3 erscheint, und F i g. 6 zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannungen V\ und V2, die abwechselnd an den Klemmen der Drosselspulen 1 und 2 nach der Ausbildung des Schwingungszustandes erscheinen. Das Diagramm von Fig.3 zeigt, daß die Drosselspulen 1 und 2 Energie während der Zeitintervalle 0, .'; bzw. u— h speichern; diese gespeicherten Energiemengen werden im Verlauf der Zeitintervalle /ι — U bzw. l·,— t_h zu dem Kondensator 3 und zu der Last 4 übertragen. Der Betrieb des Umformers von Fig.] ist durch die Wahl der Bestandteile und durch den Wert E> der von der Spannungsquelle 7 gelieferten Spannurig vollkommen festgelegt. Eine Amplitudenmodulation der Strom- und Spannungsschwingungen von Fig.3 und 4 kann nur durch Einwirkung auf die Spannung Ea erfolgen, was die Verwendung eines Spannungsuntersetzers erfordert. Diese Lösung bringt eine Energieverschwendung mit sich, die umso größer ist, je höher der Modulationsgrad ist.

F i g. 7 zeigt das elektrische Schaltbild eines Umformers, der mit Einrichtungen versehen ist, welche die Modulation der Amplitude der Wechselstromschwingung ohne Energieverschwendung ermöglichen. Die Gleichstromquelle 7 erregt einen Schwingkreis, der dem Schwingkreis von Fig.! analog ist. Die Drosselspulen 1 und 2 sind jedoch von den Primärwicklungen von zwei Transformatoren gebildet, deren Sekundärwicklungen ? und 9 über als steuerrire Gleichrichterelemente ausgebildete Hilfsschsätglieder 11 und 10 periodisch an die Spannungsqueilc 7angeschlossen werden. Die Bczugszeichcii 3, 4, 5, 6 beziehen sich auf die entsprechenden Element«; von F i g. 1.

Die Wirkungsweise des Umformers von Fig.7 ist derjenigen des Wechselstromerzeugers von F i g. 1 völlig gleich, solange die Steuerelektroden der Hilfsschaltglieder 10 und 11 keine elektrische Erregung empfan gea

In F i g. 8{a) ist durch einen Abschnitt einer Sinuskurve die Änderung der Spannung V'\ dargestellt, die zwischen den Zeitpunkten 0 und U_n welche der Stromführungsphase des Hauptschaltgliedes 6 entsprechen, an der Sekundärwicklung 9 besteht Die gestrichelte horizontale Linie stellt den Wert Eo der Spannung der Gleichspannungsquelle 7 dar. Solange die Spannung V\ kleiner als Eo ist kann das Hilfsschaltgüed 10 in keinem Fall Strom führen. Vom Zeitpunkt t₂ an kann das Zünden des Hilfsschaltgliedes 10 dadurch hervorgerufen werden, daß ein Impuls an seine Steuerelektrode angelegt wird. In Fig.8(a) ist in voller Linie die Änderung der Spannung Vi dargestellt wenn das Zünden des Hilfsschaltgliedes 10 im Zeitpunkt h hervorgerufen wird. F i g. 8(b) zeigt in voller Linie den zeitlichen Verlauf des an die Last 4 abgegebenen Stroms k; der Strom /ι. wird im Zeitpunkt /2 zu Null, weil das Hilfsschaltglied

10 dann stromführend wird. Zwischen den Zeitpunkten (2 und U wird die in der Drosselspule 1 gespeicherte Energie nicht mehr zum Kondensator 3 und zur Last 4 übertragen, sondern sie kehrt zur .Spannungsquelle 7 zurück. Die Amplitude des von dem Stromerzeuger abgegebenen Stroms erleidet daher, sobald sich der stationäre Betrieb ausgebildet hat, eine Verringerung, die von dem Zeitintervall Fo abhängt, in welchem die Energierückführung stattfindet

In F i g. 9(a) und 9(b) sind die gleichen Diagramme wie in F i g. 8 dargestellt, wobei angenommen ist, daß der Beginn der Stromführung des Hilfsschaltgliedes 10 im Zeitpunkt /3 erfolgt. Da die Dauer τ kleiner als die Dauer ro ist, ist die Verringerung der Amplisude des Stroms i'l vermindert. Die Amplitudenverringerung wird am ki^insten, wenn die Dauer τ auf Null herabgesetzt wird. Dieser letzte Fall ist in Fig. 10(a} und 10(b)dargestellt, wobei das Zünden des Hilfsschaltgliedes 10 im Zeitpunkt U stattfindet Das, was soeben für die zwischen den ZeitpunktenO und U liegende Halbperiodt-erläutert worden ist, wiederholt sich im Verlauf der folgenden Halbperiodcn. Insbesondere wird das Hilfsschaltglied

11 im Verlauf des Zcitintervalls ro stromführend, das vor dem Zeitpunkt t_b liegt.

Die in F i g. 7 schematisch dargestellte Anordnung ermöglicht die Amplitudenmodulation des abgegebenen Stroms. Zu diesem Zweck steuert ein nicht dargestellter Impulsgenerator die Schaltglieder 5,6,11 und 10 in der Weise, daß die Zündimpulse der Hilfsschaltglieder 11 und 10 um die Zeit r vor den Zündimpulsen der Hauptschaltglieder 5 und 6 liegen. Wenn die Zeit τ zwischen 0 und το veränderlich ist, erhält man am Ausgang des Umformers ein amplitudenmoduliertes Signal. Dieser n?odulierte Umforr.er weist den Vorteil auf, daß eine Stromversorgungsquelle mit konstanter Spannung verwendet wird, welche die nicht transformierte Energie wiedergewinnt, die während der Modulationstäler zu der Last übertragen wird. F i g. 11 zeigt das Schaltbild eines amplitudenmodulierten Umformers oder Sinusschwingungserzeugers, in welchem mehrere Gleichrichterelemente vorgesehen sind. Die Gleichspannungsquelle 7 speist mit Hilfe von als Thyristoren ausgebilde-

ten Hauptschaltgliederr, 6 mehrere Primärwicklungen I von Transformatoren. Die Primärwicklungen 2 weiterer Transformatoren sind mit den Primärwicklungen 1 und den als Thyristoren ausgebildeten Hauptschaltgliedern 5 verbunden. Jeder Verbindungspunkt zwischen zwei 5 Wicklungen 1 und 2 ist über einen Kondensator 3 mit den Primärwicklungen 12, 13, 14, 15 eines Ausgangstransformators verbunden, der eine Sekundärwicklung 16aufweist, an deren Klemmen die Last 4 angeschlossen ist. Die Primärwicklungen 1 und 2 sind jeweils mit Sckundärwicklungen 9 bzw. 8 gekoppelt, die ihrerseits über als Thyristoren ausgebildete Hilfsschaltglieder 10 bzw. 11 mit der Spannungsquelle 7 verbunden sind. Ein Zündimpulsgenerator 17 steuert die Steuerelektroderi der Thyristoren 5 und 6 synchron mit der an der Sekundärwicklung 16 verfügbaren Spannung. Ein Eingang B steuert die Zündfolge der Thyristoren 5 und 6. Ein zweiter Zündimpulsgenerator 18 steuert die Steuerelektroden der Thyristoren 10 und limit einer Voreilung r, die sich in Abhängigkeit von der dem Eingang A zugeführten Modulationsspannung ändert.

Die von dem Umformer von F i g. 11 gelieferte modulierte Schwingung besteht aus aufeinanderfolgenden Halbwellen. Der Arbeitszyklus beginnt mit einem Signal, das an den Eingang ödes Generators 17 angelegt wird. Einer der Thyristoren 6 wird gezündet und läßt in dsr Ltst 4 eine positive Halbwelle fließen, die durch das Zünden des entsprechenden Thyristors 10 unterbrochen wird. Wenn die erste Halbperiode abgelaufen ist, steuert der Generator 17 das Zünden des Thyristors 5 des gleichen Zweigs, damit eine negative Halbwelle erzeugt wird. Die negative Halbwelle wird unterbrochen, wenn der Generator 18 den entsprechenden Thyristor 11 zündet. Die anderen Thyristoren werden in gleicher Weise zur Erzeugung der anderen Halbwellen gezündet. In Fig. 11 ist zu erkennen, daß der Umformer mehrere Gruppen von Elementen 1,2,5,6,8,9,10 und ii enthält, die gleichzeitig oder nacheinander in Betrieb gesetzt werden können. Im Fall eines aufeinanderfolgenden Betriebs können die Gruppen geringfügig verschiedene Eigenfrequenzen haben, damit die abgegebene Schwingung frequenzmoduliert ist. Die Amplitudenmodulation hängt von den Werten der Elemente 1, 2, 3, von dem Übersetzungsverhältnis π zwischen den Wicklungen 1,2 und 9,8. der von der Last 4 hervorgerufenen Dämpfung und von der in Fig.9(a) definierten Zeitverschiebung τ ab. Die dem Eingang A des Umformers 18 zugeführte Modulationsspannung bestimmt den Wert von r, beispielsweise durch Einwirkung auf die Vorspannung einer monostabi'e.n Kippschaltung, welche das Verzögerungselemeni dieses Umformers darstellt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims (1)

1. Patentanspruch:

   geschaltet; die Hilfsschaltglieder werden durch ejn von der Ausgangswechselspannung abgeleitete Steuersignal so gesteuert, daß bei abnehmender Belastung durch den Lastkreis die Hilfsbelastung vergrößert wird, damit dje Gesamtbelastung und somit die Ausgangswechselspannung konstant gehalten wird. Die von der Hilfsbelastung aufgenommene Energie wird dabei in die Gleichspannungsquelle zurückgespeist. Diese Spannungsregelung mit Energierückführung ist siber zur Modulation des von dem Wechselrichter erzeugten Wechselstromes weder bestimmt noch geeignet

   Ein aus der US-PS 33 25 720 bekannter Umformer enthält zwei Tranformatoren, deren Primärwicklungen