-
Steuerbarer Umrichter Die Erfindung betrifft einen steuerbaren Umrichter
mit einem Wechselrichter mit einem Streufeldtransformator, dessen Primärwicklung
mit einem Schwingkondensator eine Reihenschaltung bildet, zu der einerseits die
Reihenschaltung aus Gleichspannungsquelle und einer für die Aufladung des Schwingkondensators
gepolten Schaltstrecke eines ersten steuerbaren Halbleiter bzw. Transistors und
andererseits die für die Entladung des Schwingkondensators gepolte Schaltstrecke
eines zweiten Transistors parallel liegt, wobei die beiden Transistoren über Steuerwicklungen
des Streufeldtransformators abwechselnd durchgesteuert werden.
-
Bekannte Wechselrichter in derartigen Umrichtern arbeiten meist mit
Thyristoren mit Zwangskommutierung; die in der Regel große Freiwerdezeit solcher
Thyristoren begrenzt die maximal mögliche Frequenz auf wenige 100 Hz und hat somit
ein verhältnismäßig großes Bauvolumen für Transformator, Drossel und Glättungsmittel
zur Folge. Auch der Aufwand für die Steuerung der Thyristoren ist beträchtlich,
insbesondere, wenn die Ausgangsspannung des Umrichters steuerbar sein soll. Erschwerend
kommt noch hinzu, daß auf eine gleichmäßige Magnetisierung des Transformators geachtet
werden muß, weil sich ansonsten die Bauteile, insbesondere Halbleiterelemente, gefährdende
Sberspannungen ergeben können. Weitere Probleme resultieren aus der zunächst rechteckigen
Ausgangsspannung, wenn eine sinusförmige Wechselspannung erwünscht ist; auch die
Parallelschaltung derartiger Umrichter ist nicht ohne weiteres möglich.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufwand für die Steuerung
eines Umrichters zu reduzieren, ohne die Betriebssicherheit zu beeinträchtigen.
Sie ist bei einem Umrichter
der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet,
daß in der Reihenschaltung aus Gleichspannungsquelle und Schaltstrecke des ersten
Transistors ein steuerbarer Halbleiterschalter liegt, dessen Ausschaltzeitpunkt
stets in die Durchsteuerzeit des zweiten Transistors oder in die Nähe der Umsteuerzeitpunkte
der Transistoren fällt, daß ein Steuersatz vorgesehen ist, der Steuerimpulse für
den Halbleiterschalter liefert, deren Zahl und Abstand von einer Steuergröße abhängig
ist, und daß parallel zu dem Halbleiterschalter ein ohmscher Widerstand mit solcher
Bemessung liegt, daß sich bei sperrendem Halbleiterschalter eine wesentliche Reduzierung
der Ausgangsspannung des Streufeldtransformators ergibt, andererseits aber die Schwingungen
des Wechselrichters mit Sicherheit nicht abreißen.
-
Bei der Erfindung wird während der Sperrzeiten des Steuerbaren Halbleiterschalters
praktisch keine Energie über den Wechselrichter übertragen, so daß infolge dessen
die Ausgangsspannung des Umrichters abfällt. Wegen des hohen Wertes des Widerstandes
sind die daran auftretenden Verluste sehr klein, so daß sich ein hoher Wirkungsgrad
erzielen läßt. Die Höhe des Widerstandswertes ist praktisch nur durch die Forderung
begrenzt, daß die Schwingungen des Wechselrichters auf keinen Fall abreißen dürfen.
-
Der Aufwand für Glättungsmittel ist bei einem erfindungsgemäßen Umrichter
sehr gering, da der Wechselrichter von sich aus eine nahezu sinusförmige Ausgangsspannung
liefert; die Frequenz ist dabei durch die Größe des Schwingkondensators, die Induktivität
der Primärwicklung des Streufeldtransformators und die Last bestimmt und liegt bei
unbelastetem Wechselrichter vorzugsweise über 1 kHz, insbesondere bei 10 kHz.
-
Diese hohe Betriebsfrequenz hat zusätzlich eine Verringerung der Abmessungen
des Transformators und der Glättungsmittel zur Folge.
-
Der geringe Aufwand für die Steuerung des Umrichters ist auf den Umstand
zurückzuführen, daß bei einem Wechselrichter der zugrunde gelegten Art in seinem
Speisestromkreis immer nur während einer Halbwelle der von ihm erzeugten Wechselspannung
Strom fließt; andererseits folgt aus diesem Prinzip, daß der Stromfluß zwischen
Wechselrichter und Speisequelle mittels des steuerbaren Halbleiterschalters nicht
unterbrochen werden darf, solange dieser Strom nicht unter 20 % seines Maximalwertes
gefallen ist, da sich anderenfalls gefährliche Überspannungen ergeben können. Diese
Bedingung läßt sich besonders einfach mit Hilfe eines Thyristors als Halbleiterschalter
erfüllen, wie dies anhand des Ausführungsbeispieles erläutert wird.
-
Es ist aber auch ohne weiteres möglich, als Halbleiterschalter einen
Transistor zu verwenden und diesen mit rechteckigen Steuerimpulsen durchzusteuern.
Diese können von einer bistabilen Kippstufe geliefert werden, die mit Beginn eines
von der Steuergröße abhängigen Signales gesetzt aber erst dann zurückgesetzt wird,
wenn weder dieses Steuersignal noch der Durchsteuerstrom für den ersten Transistor
des Wechselrichters vorhanden ist: Dadurch wird sichergestellt, daß das Ende der
Durchsteuerzeit des Halbleiterschalters mit dem Ende der Durchsteuerzeit des ersten
Transistors des Wechselrichters zusammenfällt. Schaltungstechnisch verwendet man
hierbei am einfachsten ein NOR-Gatter, dem das Signal und der Durchsteuerstrom für
den ersten Transistor des Wechselrichters an seienen beiden Eingängen zugeführt
wird, und dessen Ausgang mit dem Rücksetzeingang der Kippstufe verbunden ist: Dieses
Gatter setzt somit die Kippstufe zurück und beendet den Durchsteuerimpuls, wenn
keines der beiden Eingangssignale an dem Gatter liegt. Man kann aber auch das Signal
über einen Transistor zu dem Eingang einer als Schmitt-Trigger ausgebildeten Kippstufe
legen und den Transistor über eine weitere Wicklung des Streufeldtransformators
im selben Takt wie den 2. Transistor des Wechselrichters steuern.
-
Die Erfindung läßt sich nicht nur für die Steuerung sondern besonders
vorteilhaft auch für die Regelung der Ausgangsspannung eines Umrichters heranziehen;
dabei kann diese Ausgangsspannung eine Gleich- oder eine Wechselspannung sein.
-
Ein Ausführungsbeispiel dieser Art wird anhand der Figuren erläutert:
Der insgesamt mit 2 bezeichnete Wechselrichter weist einen Streufeldtransformator
21 auf, dessen Primärwicklung 211 mit einem Schwingkondensator 23 eine Reihenschaltung
bildet, zu der einerseits die Reihenschaltung aus Gleichspannungsquelle 1 und einer
für die Aufladung des Schwingkondensators 23 gepolten Schaltstrecke eines ersten
Transistors 22 und andererseits die für die Entladung des Schwingkondensators 23
gepolte Schaltstrecke eines zweiten Transistors 24 parallel liegt. Der Streufeldtransformator
21 weist neben einer Sekundärwicklung 25 zwei Steuerwicklungen auf, die über RC-Glieder
die beiden Transistoren 22, 24 abwechselnd durchsteuern. Die Funktion eines derartigen
Wechselrichters ist bekannt und braucht nicht erläutert zu werden.
-
Zwischen der Gleichstromspeisequelle 1, in der am Eingang des Wechselrichters
ein Glättungskondensator 11 über Drossel 12 und Falschpoldiode 13 parallel geschaltet
ist, und dem ersten Transistor 22 des Wechselrichters liegt ein Thyristor 41 und
parallel zu diesem ein hochohmiger Widerstand 42 von 5 kohm.
-
An die Sekundärwicklung 25 des Wechselrichters ist ein Verbraucher
6, hier eine Batterie, über einen Gleichstromwandler 54 und einen Zweiweggleichrichter
3 angeschlossen, wobei diesem Gleichrichter ein Glättungskondensator 31 parallel
geschaltet ist; für den Wert des Glättungskondensators 31 gilt C DuFg =I I EAJ Kf
wobei 1 K C 50, insbesondere 20, und f die Frequenz des Wechselrichters bei Belastung
ist. Durch diese Bemessung wird einerseits eine gute Glättung sichergestellt und
andererseits eine ausreichende Regelgenauigkeit gewährleistet.
-
Der Steuersatz 5 enthält eine bistabile Kippstufe 51, beispielsweise
in Form eines Schmitt-Triggers, der rechteckige Steuerimpuls U1 an die Steuerstrecke
des Thyristors 41 anlegt, wenn die an seinem Eingang liegende Steuergröße U2 unter
einen Ansprechwert dieser Kippstufe fällt. Das ist dann der Fall, wenn die der Vergleichseinrichtung
52 von dem Ist-Wert-Geber 53 zugefGhrteIst-Wert-Spannung unter den vom Soll-Wert-Geber
50 vorgegebenen Sollwert fällt. In bekannter Weise wird dabei der von dem Ist-Wert-Geber
53 gelieferte Ist-Wert abhängig von dem Ladestrom der Batterie 6 reduziert, so daß
sich die bekannte U-I-Kennlinie erzielen läßt. Zur Vereinfachung der Funktionserläuterung
wird jedoch diese stromabhängige Ist-Wert-Veränderung einmal außer Betracht gelassen:
Voraussetzungsgemäß schwingt der Wechselrichter 2 auch bei gesperrtem Thyristor
41; da dann jedoch praktisch keine Energie übertragen wird, sinkt der Momentanwert
der Spannung an dem Glättungskondensator 31 bei der angegebenen Bemessung praktisch
innerhalb einer Halbwelle der vom Wechselrichter gelieferten Spannung unter den
vom Geber 50 gelieferten Soll-Wert, so daß die Kippstufe 51 einen Steuerimpuls an
den Thyristor 41 liefert, so daß über diesen in der folgenden Halbwelle, wenn der
erste Transistor 22 durchgesteuert wird, Strom aus der Speisequelle über den Wechselrichter
fließen kann.
-
Nach dieser Schwingungshalbwelle erlischt der Thyristor 41 zusammen
mit dem Ende der Durchsteuerzeit des ersten Transistors 22 automatisch und der Vorgang
wiederholt sich gegebenenfalls so lange, wie die Spannung an dem Glättungskondensator
unter dem Soll-Wert liegt. Zieht beispielsweise der Verbraucher 6 praktisch keinen
Strom, so bedeutet dieses Regelungsprinzip, daß der Wechselrichter nur von Zeit
zu Zeit über den Thyristor 41 an die Batterie geschaltet wird, um die geringe, aus
dem Glättungskondensator 31 entnommene Ladung wieder nachzuschieben.
-
Die anhand der Figur erläuterte Erfindung ist aber auch zur Lieferung
einer Wechselspannung einsetzbar: Hierzu braucht man nur den Soll-Wert-Geber 50
so auszubilden, daß er eine pulsierende, ungeglättete, durch Zweiweggleichrichtung
erzeugte Soll-Wert-Spannung liefert, wie dies punktiert in der Figur angedeutet
ist. Ferner ist anstelle der Batterie ein Wechselspannungsverbraucher über einen
elektronischen Polwechsler anzuschließen, wobei dieser Polwechsler im Takt der Halbwellen
der den Soll-Wert-Geber speisenden Bezugswechselspannung gesteuert wird. Die Frequenz
der Bezugswechselspannung ist dabei wesentlich kleiner als die Eigenfrequenz des
unbelasteten Wechselrichters;sie liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 50 Hz und
200 Hz.
-
Bei dieser Ausführungsform wird somit der Momentanwert der Spannung
an dem Glättungskondensator 31 mit dem Momentanwert der pulsierenden Halbwellenspannung
des Soll-Wert- Gebers 50 verglichen und der Thyristor 41 immer durchgesteuert, wenn
die Spannung an dem Glättungskondensator unter den Soll-Wert fällt. Das hat zur
Folge, daß an dem Glättungskondensator ein aus den Halbwellen der höherfrequenten
Wechselspannung des Wechselrichters zusammengesetzter Spannungsverlauf entsteht,
der ein Abbild der Form der Soll-Wert-Spannung ist. An dem über den Pol-Wechsler
angeschlossenen Wechselstromverbraucher liegt dann eine entsprechende Wechselspannung.
-
Auf der Grundlage der Erfindung lassen sich auch Mehrphasen-Wechselrichter
mit sinusförmiger Spannungsform realisieren: Ein Dreiphasen-Wechselrichter besteht
danach beispielsweise aus drei Einheiten der vorbeschriebenen Art, wobei den Soll-Wert-Gebern
50 um 1200 versetzte Bezugsspannungen zugeführt werden.
-
Da die Wechselrichter derartiger Umrichter für sich getrennt schwingen
und keine Synchronisierungsprobleme auftreten, ist es auch ohne weiteres möglich,
eine beliebige Anzahl von derartigen Umrichtern parallel und/oder in Reihenschaltung
zu betreiben.
-
Vor allem in diesem Falle ist es vorteilhaft, die Ist-Wert-Spannung
hinter dem Pol-Wechsler statt an dem Glättungskondensator ab zugreifen.
-
10 Ansprüche 1 Figur