DE3935243A1 - Wechselrichter - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter nach dem
Oberbegriff des Patentanspruches 1. Insbesondere handelt
es sich um einen solchen, der im Zusammenhang mit einer
Batterie bei einer ausfallgesicherten Stromversorgung
oder dergleichen Verwendung findet.
In Fig. 1 ist ein Wechselrichter aufgezeichnet, der mit
einer herkömmlichen Batterie kombiniert wird und der
beispielsweise aus der Druckschrift "Thyristor usage
manual" P-406 (OHM Co. Ltd., September 30, 1988) bekannt
ist. In dieser Abbildung werden mit der Bezugsziffer 1
Eingangsklemmen bezeichnet, die mit einer nicht darge
stellten Wechselstromquelle verbunden sind. Mit 2 ist
ein Gleichrichter, bestehend aus Thyristoren 2a bis 2b
bezeichnet, die von einer nicht dargestellten Steuerung
angesteuert werden, um die Wechselstromspannung an den
Eingangsklemmen in eine Gleichspannung umzuformen. Mit der
Bezugsziffer 3 ist eine Drossel bezeichnet, welche Brumm-
Spannungen auf der Gleichstromspannung dämpft. Mit der
Bezugsziffer 4 ist ein Glättungskondensator für die
Gleichspannung bezeichnet. Mit 5 ist ein Wechselrichter
bezeichnet, der "selbstlöschende" Halbleiter 5a bis 5d
(abschaltbare Halbleiter) aufweist, um die Gleichspannung
über dem Kondensator 4 in eine Wechselspannung zu verwandeln.
Eine Steuerschaltung 6 ist vorgesehen, welche den Wechsel
richter 5 ansteuert und die Ausgangswechselspannung kontrolliert.
Mit den Bezugsziffern 7 und 8 sind eine Drossel bzw. ein
Kondensator bezeichnet, welcher (höher- frequente) Wechsel
spannungsanteile in der Ausgangswechselspannung aus dem
Wechselrichter 5 absorbieren. Mit 9 sind Wechselspannungs
ausgangsklemmen bezeichnet. Eine Batterie 10 ist vorgesehen,
die parallel zum Kodensator 4 geschaltet ist und zusätzlich
Spannungsschwankungen auf der Gleichspannung ausgleicht.
Im folgenden wird die Funktion des bekannten Gegenstandes
beschrieben. Wenn am Eingangsanschluß 1 eine Wechselstrom
quelle angeschlossen ist, die sich in einem normalen Zustand
befindet, so wird die Eingangswechselspannung vom Gleichrichter
in eine Gleichspannung gewandelt. Die Gleichspannung wird auf
einen Sollwert über eine Phasensteuerung der Thyristoren 2a
bis 2d eingestellt.
Die Gleichspannung enthält Brummspannungskomponenten, die
durch die Gleichrichtung der Wechselspannung entstehen.
Die Brummspannungskomponenten werden über die Drossel 3 und
den Kondensator 4 gedämpft, so daß eine Gleichspannung mit
einer geringen Brummkomponente zum Wechselrichter 5 gelangt.
Der Wechselrichter 5 wandelt die Gleichspannung in eine
vorbestimmte Wechselspannung, die über die Steuerschaltung 6
so eingestellt wird, daß sie auf einem Sollwert liegt und
eine Soll-Wellenform aufweist, indem das Schaltverhalten
der Transistoren 5a bis 5d entsprechend beeinflußt
wird.
Die Ausgangswechselspannung aus dem Wechselrichter 5 enthält
(höher-frequente) Wechselspannungskomponenten aufgrund des
Schaltens der Transistoren 5a bis 5b. Diese Komponenten werden
über die Drossel 7 über den Kondensator 8 absorbiert, so daß
eine im wesentlichen von höher-frequenten Wechselspannungen
freie Wechselspannung an den Ausgangsklemmen 9 ansteht.
Der Kondensator 4 in der Gleichspannungsschaltung absorbiert
auch einen Brummstrom, der auf der Gleichstromseite vom
Wechselrichter 5 erzeugt wird. Weiterhin wird die Batterie
10, welche im Gleichspannungskreis liegt, in diesem Zustand
"schwimmend" geladen. Wenn jedoch der Ladestrom für die
Batterie 10 Brummkomponenten enthält, so erzeugen diese
in der Batterie 10 Wärme. Demzufolge werden die Brumm
komponenten unter einen von der Drossel 3 definierten Betrag
unterdrückt.
Wenn die Wechselstromquelle, z. B. das Wechselstromversorgungs
netz, ausfällt, wird der Gleichstromkreis von der Batterie
10 gespeist, und der Wechselrichter 5 wandelt die Gleichspannung
in eine Wechselspannung, die dann an den Ausgangsklemmen
anliegt. Die an den Ausgangsklemmen 9 anliegende Wechsel
spannung steht also kontinuierlich zur Verfügung und kann
einer Last unabhängig von einem Leistungsausfall der
Wechselstromquelle zugeführt werden. Dies ist dann der Fall,
wenn der Wechselrichter als ausfallsichere Stromversorgungs
einheit Verwendung findet. Der in der oben beschriebenen Weise
ausgeführte bekannte Wechselrichter benötigt nun für die
Drossel 3 eine solche mit hoher Induktivität. Nun wird an sich
der Wechselrichter 5 beim Erzeugen der Wechselspannung nur
wenig von den Brummkomponenten beeinflußt, die somit in dem
Gleichstromkreis vorliegen dürften. Andererseits muß aber
der Ladestrom für die Batterie 10 mit nur geringen Brumm
komponenten vorliegen, so daß unbedingt die hohe Induktivität
der Drossel 3 gegeben sein muß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung
der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß
eine Verkleinerung der Gleichstrom-Glättungsdrossel ermöglicht
wird.
Der erfindungsgemäße Wechselrichter ist einer Batterie nach
geschaltet, die parallel zum Gleichstromausgang eines Gleich
richters liegt, der eine Wechselspannung in eine Gleichspannung
wandelt und ist mit einer Drossel ausgestattet, die Brumm
komponenten im Ladestrom beim Laden der Batterie mit einer
Gleichspannung aus dem Gleichrichter unterdrückt, wobei die
Drossel beim Entladen der Batterie durch einen Entladestrom
gesättigt wird, wenn dieser über einem vorbestimmten Wert
liegt.
Weitere wesentliche Merkmale ergeben sich aus den Unteran
sprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen der Erfindung. Diese werden im folgenden
anhand von Abbildungen näher erläutert. Hierbei zeigen
Fig. 1 eine Schaltung eines herkömmlichen Wechsel
richters,
Fig. 2 eine Schaltung gemäß einer ersten bevorzugten
Ausführungsform,
Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise
der Ausführungsform nach Fig. 2, und
Fig. 4 und 5 Schaltungen einer zweiten und dritten bevor
zugten Ausführungsform der Erfindung.
Im folgenden wird die Erfindung unter Bezug auf Fig. 2 er
läutert, wobei die zur Fig. 5 gleichen oder gleichwirkenden
Teile mit denselben Bezugsziffern versehen sind.
In Fig. 1 ist mit der Bezugsziffer 11 eine sättigbare Drossel
in Reihe zwischen der Batterie 10 und den Gleichstromkreis
angeordnet.
Im folgenden wird die Funktion dieser Ausführungsform erläutert.
Der Sättigungsstromwert (bei welchem die sättigbare Drossel
11 gesättigt wird) ist auf einen Wert eingestellt, der über dem
Wert des Ladestroms für die Batterie 10 liegt. Wenn die
Batterie 10 "schwimmend" geladen wird, so weist die Drossel 11
einen festgelegten Induktivitätswert auf und Brummkomponenten
aus dem Ladestrom werden unter einen zulässigen Wert gedämpft.
Im folgenden wird die Funktion der Ausführungsform erläutert,
wenn die Wechselstromquelle ausfällt, wobei Bezug auf Fig. 3
genommen wird, welche den Verlauf des Batteriestroms zeigt.
Wenn zum Zeitpunkt t1 die Wechselstromquelle ausfällt, so
sinkt die Spannung in den Gleichstromkreis und der Ladestrom
für die Batterie 10 nimmt ab. Der Ladestrom für die Batterie 10
kehrt seine Polarität um und geht zum Zeitpunkt t2 in einen
Entladestrom über.
Wenn nun der Entladestrom den Sättigungspegel der Drossel 11
zu einem Zeitpunkt t3 überschreitet, wird die Drossel 11
gesättigt und ihre Induktivität geht im wesentlichen auf Null.
Dadurch steigt der Entladestrom plötzlich an und wird gleich
dem Gleichstrom zum Wechselrichter 5 und die Spannung im
Gleichstromkreis wird gleich der Batteriespannung.
Im Zeitintervall zwischen t1 und t3 wird gleichzeitig dem
Gleichstromkreis des Wechselrichters 5 vom Kondensator 4
Energie zugeführt.
Der magnetisierbare Kern der Drossel 11 muß nur so eingestellt
werden, daß er bei einem Strom gesättigt ist, der dem Betrag
nach geringfügig größer als der maximale Ladestrom ist.
Das Stromleitvermögen der Wicklung auf der Drossel 11 muß
dem Entladestrom angepaßt sein bzw. diesen aushalten.
Nachdem die Entladezeit durch die Kapazität der Batterie
festgelegt ist, kann man die Wicklung entsprechend einer
Kurz-Belastungszeit auslegen.
Nachdem weiterhin der Ladestrom ebenfalls durch die Kapazität
der Batterie 10 festgelegt ist, kann man über eine Einbeziehung
des Temperaturanstiegs (der über Versuche herausfindbar ist)
den Sättigungs-Strompegel der Drossel anheben und eine
Miniaturisierung der Drossel dadurch erreichen, daß diese
in einem Bereich gesättigt wird, in welchem ein Anfangslade
strom über eine kurze Zeitdauer hinweg groß ist, wobei man
weiterhin die Drossel so betreiben kann, daß sie Brummkomponenten
von dem Zeitpunkt an unterdrückt, wenn der Ladestrom abnimmt,
so daß sie dann in den "schwimmenden" Ladezustand übergeht.
In Fig. 4 ist die Schaltung einer zweiten bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Mit der Bezugsziffer 11
ist eine Drossel bezeichnet, die in Reihe zu einer Batterie 10
geschaltet ist. Mit der Drossel 11 in Reihe ist ein Shunt-Wider
stand 12 geschaltet. Über dem Shunt 12 ist ein Tiefpaßfilter 14
angeschlossen, dem eine Diode 13 vorgeschaltet ist. Am Tiefpaß
filter 14 liegt durch die Einschaltung der Diode 13 nur dann
eine Spannung an bzw. fließt ein Strom nur dann, wenn ein
Ladestrom in die Batterie 10 fließt. Mit 15 ist ein dem Tief
paßfilter 14 nachgeschalteter Verstärker bezeichnet, der
dessen Ausgangsspannung verstärkt. Mit 16 ist eine zweite
Wicklung bezeichnet, die auf die Drossel 11 aufgewickelt ist
und die mit dem Ausgangsstrom des Verstärkers 15 gespeist wird.
Die Funktionsweise dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung
wird im folgenden beschrieben. Wenn die Batterie 10 geladen
ist, fließt ein Strom durch den Shunt-Widerstand 12, dessen
Gleichstromkomponente Brummkomponenten überlagert sind. Über
dem Shunt-Widerstand entsteht somit eine Abtastspannung, die
über die Diode 13 in das Tiefpaßfilter 14 gelangt.
Das Tiefpaßfilter 14 dämpft lediglich die Brummkomponenten
in der Abtastspannung und gibt die Gleichstromkomponente
weiter. Der Verstärker 15 verstärkt den Ausgang des Tiefpaß
filters 14 und führt eine Spannungs-/Stromwandlung mit fest
gelegtem Wandlungskoeffizienten durch, so daß der entsprechende
Strom durch die zweite Wicklung 16 der Drossel 11 fließt.
Wenn der Strom-/Spannungswandlungskoeffizient A des Widerstands
12, der Spannungs-/Stromwandlungskoeffizient B des Verstärkers
15 und das Wicklungsverhältnis n zwischen der Wicklung 16 und
der Hauptwicklung der Drossel zur Erfüllung folgender Gleichung:
A×B×n=1
gewählt werden, so wird der magnetische Fluß aufgrund der
Gleichstromkomponente durch die Hauptwicklung der Drossel 11
über den magnetischen Fluß aufgrund des Stroms durch die
zweite Wicklung 16 aufgehoben und im wesentlichen auf Null
reduziert. Demzufolge weist die Drossel 11 eine Induktivität
ausschließlich für die Brummkomponenten auf und hält diesen
Brummstrom gegenüber der Batterie 10 zurück.
Wenn nun die Wechselstromquelle ausfällt, so ändert sich die
Funktion der Batterie 10 vom Ladezustand in den Entladezustand.
Die Richtung des Stromflusses durch die Drossel 11 und den
Shunt-Widerstand 12 wird umgekehrt. Die Polarität der Abtast
spannung über dem Shunt-Widerstand 12 kehrt sich darum um
und der entsprechende Strom wird durch die Diode 13 blockiert,
so daß kein Strom mehr durch die zweite Wicklung 16 fließt.
Wenn nun der Wert des Entladestroms aus der Batterie 10 größer
wird als ein vorbestimmter Wert und demzufolge die Drossel 11
gesättigt ist und im wesentlichen keine Induktivität mehr auf-
weist, so wird der Anstieg des Entladestroms durch nichts
verzögert, so daß die Stromversorgung des Gleichstromkreises
ebenfalls durch nichts verzögert wird.
Fehler im Tiefpaßfilter 14 oder Verstärker 15 oder dergleichen
können leicht durch eine Überwachung des hier eingesetzten
Verstärkers erkannt werden.
Fig. 5 zeigt eine Schaltung einer dritten bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung. Mit der Bezugsziffer 17 ist
in Fig. 5 ein Fühlerelement für den magnetischen Fluß, z. B.
ein Hallelement bezeichnet, das über eine Diode 18 mit dem
Eingang des Tiefpaßfilters 14 verbunden ist. Dieser Fühler
stellt den magnetischen Fluß im Kern der Diode 11 fest und
wandelt diesen in eine Spannung. Wenn die Batterie 10
geladen wird, so tastet das Fühlerelement 17 den magnetischen
Fluß in der Drossel 11 ab, wobei weiterhin nur die Gleichstrom
komponente in der Abtastspannung durch das Tiefpaßfilter 14
gelangt. Über den Verstärker 15, der eine Spannungs-/Strom
wandlung durchführt, gelangt die Gleichstromkomponente in die
zweite Wicklung 16 der Drossel 11.
Durch eine geeignete Auswahl des Wandlungskoeffizienten im
Fühlerelement 17 für den magnetischen Fluß, eine entsprechende
Spannungs-/Stromwandlungsrate des Verstärkers 15 und ein
entsprechendes Windungsverhältnis der zweiten Wicklung zur
Hauptwicklung der Drossel wird der magnetische Fluß aufgrund
der Gleichstromkomponente des durch die Hauptwicklung der
Drossel 11 fließenden Stroms im wesentlichen zu Null und die
Drossel 11 weist lediglich eine Induktivität für Brummkompo
nenten auf, so daß sie das Fließen eines Brummstroms in die
Batterie 10 wirksam verhindert.
Wenn die Wechselstromquelle ausfällt, so wird die Batterie 10
in den Entladezustand gebracht. Die Polarität (bzw. Richtung)
des magnetischen Flusses der Drossel 11 kehrt sich um und
die Fühlerspannung aus dem Fühlerelement 17 wird von der
Diode 18 abgeblockt. Demzufolge fließt kein Strom durch die
zweite Wicklung 16 der Drossel 11, so daß diese wie bei der
vorigen Ausführungsform gesättigt wird.
In obigem Beispiel wurden einphasige Thyristorwandler (bzw.
Gleichrichter) und einphasige Transistorwechselrichter
gezeigt. Selbstverständlich ist es möglich, die Erfindung
auch auf drei- oder mehrphasige Systeme anzuwenden. In jedem
Fall ist der gleiche Effekt erzielbar.
Aus obigem geht hervor, daß gemäß der vorliegenden Erfindung
eine Drossel vorgesehen ist, welche Brummkomponenten im
Ladestrom beim Laden der Batterie unterdrückt. Beim Entladen
wird die Drossel dann gesättigt, wenn der Entladestrom oberhalb
eines vorbestimmten Wertes liegt. Diese Drossel liegt in
Reihe mit der Batterie. Dadurch kann die Drossel, insbesondere
ihr Kern verkleinert werden, so daß die ganze Schaltung
kleiner und kostengünstiger gefertigt werden kann.
Claims (4)
1. Wechselrichterschaltung mit einem Gleichrichter (2),
der eine Wechselspannung in eine Gleichspannung wandelt
und eine Gleichspannung ausgibt, mit einem Wechselrichter
(5), der die Gleichspannung in eine Wechselspannung wandelt
und die Wechselspannung einer Last zuführt, und mit einer
Batterie (10), die parallel zum Gleichspannungsausgang
des Gleichrichters (2) geschaltet ist,
gekennzeichnet durch ,
eine Drossel (11), die in Reihe mit der Batterie (10)
liegt, und die so ausgebildet ist, daß sie Brummkomponenten
im Ladestrom während des Ladens der Batterie (10) durch
den Ladestrom aus dem Gleichrichter (2) unterdrückt und
die beim Entladen durch einen Entladestrom gesättigt wird,
der einen Wert oberhalb eines vorbestimmten Wertes aufweist.
2. Wechselrichterschaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß Einrichtungen (12-17) vorgesehen sind, welche den
magnetischen Fluß im wesentlichen zu Null machen, der durch
einen Ladestrom durch eine Hauptwicklung der Drossel (11)
erzeugt wird.
3. Wechselrichterschaltung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtungen zum Unterdrücken des magnetischen
Flusses einen Shunt-Widerstand (12) in Reihe mit der Drossel
(11), ein Tiefpaßfilter (14), an dessen Eingang die Spannung
über dem Shunt-Widerstand (12) über eine Diode (13) liegt,
und eine Wicklung (16) umfaßt, der ein dem Ausgang des Tief
paßfilters (14) proportionaler Strom zugeführt wird, um
einen magnetischen Fluß, der durch einen Strom durch die
Hauptwicklung der Drossel (11) erzeugt wird, zu unterdrücken
oder zu erzeugen.
4. Wechselrichterschaltung nach einem der Ansprüche 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtungen zum Unterdrücken des magnetischen Flusses
einen Fühler (17) zum Feststellen des magnetischen Flusses
aufweisen, der den magnetischen Fluß aufgrund eines durch die
Hauptwicklung der Drossel (11) fließenden Stroms feststellt,
wobei weiterhin ein Tiefpaßfilter (14) vorgesehen ist, welchem
eine Fühlerspannung des Fühlerelementes (17) für den magneti
schen Fluß über eine Diode (18) zugeführt wird, wobei weiter
hin eine zweite Wicklung (16) auf der Drossel (11) vorge
sehen ist, welcher ein Strom entsprechend dem Ausgang des
Tiefpaßfilters (14) zugeführt wird, um den magnetischen Fluß
zu unterdrücken bzw. einen solchen zu erzeugen.
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