DE3443809C2

DE3443809C2 -

Info

Publication number: DE3443809C2
Application number: DE19843443809
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl.-Ing. Franke; Bruno Dipl.-Ing. May; Horst Dipl.-Ing. 4788 Warstein De Scholz; Wilhelm Dipl.-Ing. 4770 Soest De Soelter
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1984-11-28
Filing date: 1984-11-28
Publication date: 1988-11-10
Also published as: DE3443809A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stromrichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger Stromrichter ist aus der DE-Zeitschrift "ELO", Heft 11, 1984, Seiten 60 und 61, bekannt. Es wird ein Stromrichter zur Umformung einer an seinen Eingangsklemmen anstehenden Gleichspannung in eine an seinen Ausgangsklemmen auftretenden Wechselspannung und umgekehrt beschrieben, der als Batterieladegerät ausgelegt ist. Zur Gleichrichtung dient ein ungesteuerter Gleichrichter.

Ferner ist ein im Zweiquadrantenbetrieb einsetzbarer Stromrichter, der aus der Kombination eines Hochsetzstellers und eines Tiefsetzstellers gebildet wird, aus dem Buch von K. Heumann "Grundlagen der Leistungselektronik", B. G. Teubner, Stuttgart, 1975, Seite 122, bekannt. Es handelt sich hierbei jedoch um einen Gleichstromsteller, der also ausschließlich zwischen zwei Gleichspannungssystemen betrieben werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stromrichter der eingangs genannten Art verfügbar zu machen, bei dem ein Wechselrichter und ein gesteuerter Gleichrichter in einer Schaltung unter Benutzung möglichst derselben Schaltelemente zusammengefaßt sind, so daß sich ein minimaler Schaltungsaufwand ergibt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Maßnahmen gelöst.

Durch die Kombination von drei einen Tiefsetzsteller bildenden Schaltungselementen (erster Schalter, erste Drosselspule, erste Diode) mit drei einen Hochsetzsteller bildenden Schaltungselementen (zweiter Schalter, zweite Drosselspule, zweite Diode) und dem über die beiden Schaltelemente im Wechsel geschalteten, ohnehin zur Spannungsanpassung in der Regel vorhandenen Transformator wird mit geringem Aufwand ein Zweiquadrantenstromrichter gebildet, der sowohl als Wechselrichter als auch als steuerbarer Gleichrichter einsetzbar ist. Da die beiden Schalter auf stromeinprägende Drosselspulen arbeiten, wird vorteilhafterweise durch diese ein Stromanstieg im Kurzschlußfall begrenzt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Stromrichters nach der Erfindung und

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf von Spannungen und Signalen an ausgewählten Stellen der Schaltung nach Fig. 1.

Der im Zweiquadrantenbetrieb betreibbare Stromrichter gemäß Fig. 1 dient der Umwandlung einer an seinen mit + und - bezeichneten Eingangsklemmen anliegenden Gleichspannung E in eine an seinen Ausgangsklemmen W 1, W 2 mit einer Frequenz f _W auftretende Wechselspannung W und umgekehrt.

Zu diesem Zweck ist eine erste, mit der Mittelanzapfung 1 einer Wicklung eines Transformators T verbundene Drosselspule L 1 über einen ersten Schalter S 1 mit der einen Eingangsklemme (Pluspol) und über eine in Richtung auf die erste Drosselspule L 1 gepolte erste Diode D 1 an die andere Eingangsklemme (Minuspol) angeschlossen. Die mit der Mittelanzapfung 1 versehene Wicklung des Transformators T ist mit ihren Enden 2, 3 jeweils über zeitgleich, gegensinnig schaltende Schaltelemente S 3, S 4 ebenfalls mit dem Minuspol verbunden. Die Enden 4, 5 der anderen Wicklung des Transformators T stehen mit den Ausgangsklemmen W 1, W 2 des Stromrichters in Verbindung. Außerdem ist eine zweite, ebenfalls mit der Mittelanzapfung 1 des Transformators T verbundene Drosselspule L 2 vorgesehen, die an der einen Eingangsklemme (Pluspol) über eine auf diese Eingangsklemme gepolte zweite Diode D 2 angeschlossen ist. Der Verbindungspunkt zwischen der zweiten Drosselspule L 2 und dem anodenseitigen Anschluß der zweiten Diode D 2 kann über einen zweiten Schalter S 2 an die andere Eingangsklemme (Minuspol) gelegt werden.

Der erste Schalter S 1, die erste Diode D 1 und die erste Drosselspule L 1 bilden einen Tiefsetzsteller. Durch ein entsprechendes Tastverhältnis des ersten Schalters S 1 ist die an der Mittelanzapfung 1 in bezug auf den Minuspol anliegende Spannung A einstellbar. Der Verstellbereich ist 0A E. Das Tastverhältnis des ersten Schalters S 1 läßt sich so modulieren, daß die Spannung A durch zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgende Sinushalbwellen gebildet ist. Die Betriebsfrequenz des ersten Schalters S 1 kann dabei zum Beispiel zwischen 10-2000×f _W liegen.

Um eine sinusförmige Wechselspannung W zu erzeugen, muß jede zweite Sinushalbwelle der Spannung A invertiert werden. Diese Aufgabe übernehmen der Transformator T sowie die beiden Schaltelemente S 3 und S 4. Der Transformator T besitzt zusätzlich die Aufgabe der Potentialtrennung und der Spannungsanpassung. Die gegensinnig, zeitgleich schaltenden Schaltelemente S 3, S 4 können zum Beispiel im 50-Hz- Rhythmus ein- und ausschalten, so daß sich an den Ausgangsklemmen W 1, W 2 des Stromrichters die gewünschte Wechselspannung W einstellt.

Der zeitliche Verlauf der Spannung A im Verhältnis zur Eingangsgleichspannung E, der Verlauf der Ausgangswechselspannung W sowie die Schaltzeiten der beiden Schaltelemente S 3, S 4 sind in Fig. 2 dargestellt. Bei einer Periodendauer τ der Spannung A ergibt sich für die Ausgangswechselspannung eine Frequenz

Mit der Verwendung des ersten Schalters S 1, der ersten Diode D 1 und der ersten Drosselspule L 1 ist ein Energiefluß nur in der Richtung von der Eingangsspannung E zur Spannung A möglich. Um Blindleistung zuzulassen und dabei die Kurvenform beizubehalten, ist ein gesteuerter Energiefluß in umgekehrter Richtung notwendig. Eine Schaltung, die dieses auf einfache Weise ermöglicht, ist durch den zweiten Schalter S 2, die zweite Diode D 2 und die zweite Drosselspule L 2 gegeben. Diese drei Schaltelemente bilden einen Hochsetzsteller. Durch ein entsprechendes Tastverhältnis des zweiten Schalters S 2 ist die Spannung A zwischen 0 und der Spannung E einstellbar.

Die Schaltelemente S 3, S 4 sind Thyristoren, die vorzugsweise als GTOs ausgebildet sind. Ihnen sind jeweils Inversdioden D 3, D 4 antiparallelgeschaltet. Damit ist mit den den Hochsetzsteller bildenden Bauelementen ein gesteuerter Energiefluß von der Wechselspannung W zur Gleichspannung E möglich. Der Stromrichter kann also nicht nur als Wechselrichter, sondern auch als steuerbarer Gleichrichter arbeiten.

Zwischen der Mittelanzapfung 1 des Transformators T und dem Minuspol ist ein Kondensator C angeordnet. Dieser Kondensator C dient neben der Glättung der Strompulse vor allen Dingen Meßzwecken, nämlich um festzustellen, ob die Spannung A einem vorgegebenen Sollwert entspricht. Ist die Spannung A kleiner als der Spannungssollwert, liefert der Tiefsetzsteller mit dem ersten Schalter S 1, der ersten Drosselspule L 1 und der ersten Diode D 1 die fehlende Spannung. Ist die Spannung A größer als der vorgegebene Spannungssollwert (bei Übertragung von Blindleistung oder im Gleichrichterbetrieb), so verringert der Hochsetzsteller aus dem zweiten Schalter S 2, der zweiten Drosselspule L 2 und der zweiten Diode D 2 die Spannung A und liefert Energie zurück zur Gleichspannungsquelle E.

Die beiden Schalter S 1, S 2 müssen hochfrequent betrieben werden. Dazu sind besonders Transistoren oder GTO-Thyristoren geeignet. Die beiden Schaltelemente S 3, S 4 schalten dagegen nur mit der üblicherweise niedrigen Ausgangsfrequenz 2 f _W. Die Ausgangsfrequenz wird in der Regel 50 oder 60 Hz betragen. Der Aufwand für die insgesamt vier Schalter, von denen drei sogar auf gleichem Potential liegen, ist damit gering.

Da die erzeugten Sinushalbwellen der Spannung A einander prinzipiell gleich sind, sind auch immer die positive und negative Halbwelle der Ausgangsspannung W einander gleich. Vorteilhafterweise ist somit nie ein störender Gleichspannungsanteil vorhanden.

Die zuvor für einen einphasigen Stromrichter beschriebene Schaltung ist selbstverständlich auch dreiphasig ausführbar.

Claims

1. Stromrichter zur Umformung einer an seinen Eingangsklemmen anstehenden Gleichspannung in eine an seinen Ausgangsklemmen auftretende Wechselspannung und umgekehrt mit einem Transformator, dessen mit einer Mittelanzapfung vesehene eine Wicklung mit ihren beiden Enden jeweils über ein Schaltelement mit antiparallel dazu liegender Diode mit einer Eingangsklemme verbunden ist, wobei die beiden Schaltelemente in bezug auf die eine Eingangsklemme die gleiche Stromflußrichtung erlauben sowie zeitgleich, gegensinnig und niederfrequent im Bereich der Netzfrequenz geschaltet werden, und dessen andere Wicklung mit ihren Enden an den Ausgangsklemmen liegt, dadurch gekennzeichnet,
daß eine erste, mit der Mittelanzapfung (1) verbundene Drosselspule (L 1) über einen ersten Schalter (S 1) mit der anderen Eingangsklemme (+) und über eine in Richtung auf die erste Drosselspule (L 1) gepolte erste Diode (D 1) an die eine Eingangsklemme (-) angeschlossen ist,
daß eine zweite, ebenfalls mit der Mittelanzapfung (1) verbundene Drosselspule (L 2) über eine in Richtung auf die andere Eingangsklemme (+) gepolte zweite Diode (D 2) an dieser angeschlossen und über einen zweiten Schalter (S 2) an die eine Eingangsklemme (-) schaltbar ist und
daß die Schalter (S 1, S 2) Transistoren oder abschaltbare Thyristoren sind, die im Vergleich zu den beiden niederfrequent geschalteten Schaltelementen (S 3, S 4) mit wesentlich höherer Frequenz derart geschaltet werden, daß zwischen Mittelanzapfung (1) und der einen Eingangsklemme (-) eine gleichgerichtete Spannung in Form von Sinushalbwellen anliegt.

2. Stromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden an die Enden (2, 3) der einen Wicklung des Transformators (T) angeschlossenen Schaltelemente (S 3, S 4) als in Richtung auf die eine Eingangsklemme (-) gepolte Thyristoren ausgebildet sind.

3. Stromrichter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Mittelanzapfung (1) der einen Wicklung des Transformators (T) und die eine Eingangsklemme (-) ein Kondensator (C) gelegt ist.