DE69107146T2

DE69107146T2 - Dreiphasen-Einphasen-Umrichter.

Info

Publication number: DE69107146T2
Application number: DE69107146T
Authority: DE
Inventors: Lawrence B Carroll; Kenneth H Kidder; Thomas Visentin
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1990-08-31
Filing date: 1991-07-24
Publication date: 1995-08-17
Anticipated expiration: 2011-07-25
Also published as: EP0472905A2; EP0472905A3; JPH04285471A; EP0472905B1; US5055989A; DE69107146D1; JP2788806B2

Description

Die vorliegende Erfindung ist auf ein verbessertes Netzgerät gerichtet, und insbesondere auf ein Netzgerät zum Liefern von Einphasen-Wechselstrom aus Dreiphasen-Leitungen.
US-A-4 752 866 (Huynh et al.) offenbart ein vielseitiges Netzgerät mit Konstantstromquelle und Inverter für einen Ozonisator, das einen Dreiphasen-Wechselstrom in einen Einphasen-Wechselstrom umrichtet. Der Einphasen-Wechselstrom wird zu einem Gleichstrom gleichgerichtet und einer Gleichstrom/Wechselstrom-Thyristor-Brückenschaltung mit Inverter zugeführt. Jedoch werden bei den beschriebenen Schaltungen keine Mittel offenbart, um sicherzustellen, daß ein Ausfall einer der drei Eingangsleitungen nicht die Einphasen-Ausgangsspannung beeinflußt.
Für bestimmte Anwendungen ist es notwendig, für Einphasen- Wechselstrom aus Dreiphasen-Leitungen zu sorgen. Zum Beispiel kann ein Hauptrechner so entworfen sein, daß er mit Dreiphasen- Strom wegen dessen erhöhter Zuverlässigkeit arbeitet, während periphere Geräte, die in Verbindung mit dem Rechner zu benutzen sind häufig so entworfen werden, daß sie mit einer Phase arbeiten. In solch einem Fall kann die eine Phase von zwei der Dreiphasen-Leitungen erhalten werden.
Bei solch einer Anordnung entsteht jedoch ein Problem, wenn die eine Phase, mit der die peripheren Geräte verbunden sind, unterbrochen wird. Daher wird aufgrund des Vorsehens der Spannungsregelung der Computer fortfahren, bei zwei Phasen zufriedenstellend zu arbeiten, aber die peripheren Geräte können alle zusammen ausfallen. Da der Ausfall der peripheren Geräte das System nutzlos machen könnte, ist es wichtig, sicherzustellen, daß solche Geräte fortfahren zu arbeiten, wenn eine Phase der Dreiphasen-Stromquelle ausfällt.
Es ist daher das Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Dreiphasen-Einphasen-Umrichter anzugeben, der eine Einphasen- Ausgangsspannung liefert, die nicht gestört wird, wenn eine Eingangsphase ausfällt.
Dieses Ziel wird erreicht durch ein Gerät nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 10.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Einphasen-Ausgangs-Wechselspannung geregelt, um Lastschwankungen zu kompensieren. Ebenso wird die Einphasen-Ausgangs-Wechselspannung erhalten, indem zuerst eine gleichgerichtete Sinusspannung erzeugt wird und dann diese Spannung eine Wechselrichterschaltung durchläuft.
Die Erfindung wird durch Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen besser verständlich, in denen:
Figur 1 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispieles der Erfindung ist,
Figur 2 die Umschalt-Reihenfolge für die Vollwellen-Zerhacker- und Wechselrichterschaltungen der Fig. 1 zeigt,
Figur 3 die Dreiphasen-Eingangsströme und die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom bei voller Last zeigt,
Figur 4 den Eingangstrom zeigt, wenn eine Eingangsphase ausfällt, und die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom bei voller Last,
Figur 5 eine bildliche Darstellung der Ausführung des Gerätes.
Es wird auf Figur 1 Bezug genommen, in der Dreiphasen-Eingangsleitungen 2 dargestellt sind. Die Nennspannung solcher Leitungen wie auch die Spannungsschwankungen während des Betriebes können stark variieren, da das System eine geregelte Ausgangsspannung liefert. Das Ziel des Systems ist es, eine konstante Einphasen- Ausgangs-Wechselspannung 4 trotz Schwankungen der Eingangsspannung und selbst in dew Fall zu liefern, daß eine der Eingangsphasen vollständig ausfällt.
Zu diesem Zweck werden die Eingangs leitungen 2 dem Dreiphasen- Gleichrichter 6 zugeführt, der eine übliche Dreiphasen-Gleichrichteranordnung mit sechs Dioden sein kann, was zu einem Ausgangs-Gleichstrom führt. Der Gleichstrom wird dem Impulsbreiten-Modulator 8 zugeführt, der an seinem Takteingang 9 mit einer hohen Frequenz, z.B. 40 KHz, umgeschaltet wird. Die spezielle Schaltung, die für den Impulsbreiten-Modulator benutzt werden kann, ist bekannt und beispielsweise im US Patent 3 737 755 angegeben.
Der Impulsbreiten-Modulator 8 ist Teil der Spannungsregelanordnung des Systemteils Gleichstrom in Gleichstrom. Daher erzeugt der erste Teil der Schaltung eine Gleichspannung am Kondensator 12, und diese Spannung wird durch Komponenten geregelt, die den Bezugsspannungsgenerator 14, den Vergleicher 16 und de Impulsbreiten-Modulator 8 einschließen. Genauer gesagt wird die Spannungsregelung bewirkt durch Liefern einer Bezugsspannung, die von dem Generator 14 ausgesandt wird, Vergleichen der Spannung am Kondensator 12 mit der Bezugsspannung im Vergleicher 16 und damit durch Liefern einer Differenzspannung zum Steuern des Impulsbreiten-Modulators 8.
Daher wird eine impulsbreitenmodulierte Reckteckwelle am Ausgang des Impulsbreiten-Modulators 8 der Eingangs-Drosselspule 20 zugeführt, die die Impulsfrequenz herausfiltert, wodurch sich ein Gleichstrom ergibt, dessen Stärke sich gemäß der Regelung ändert, die durch den Modulator 8 eingeführt wird. Der Kondensator 12 könnte mit der Drosselspule 20 verbunden sein, aber es ist überlicherweise nötig, den Spannungspegel zu ändern und zu diesem Zweck wird der Transformator 24 benutzt. Insbesondere wird der Strom der Drosselspule dem Vollwellen- Zerhacker 28 zugeführt, um ihn in einen Wechselstrom umzurichten, und der erhaltene Wechselstrom wird dem Transformator 24 zugeführt. Die Ausgangsspannung des Transformators 24 wird durch den Gleichrichter 30 gleichgerichtet, bevor sie dem Kondensator 12 zugeführt wird.
Der Vollwellen-Zerhacker 28 wird betrieben durch wechselseitiges Schließen der Schalter A und C gemeinsam und dann der Schalter B und D gemeinsam. Dies bewirkt daß der Strom zuerst in einer Richtung durch den Transformator fließt und dann in der anderen Richtung, was den erforderlichen Wechselstrom schafft. Die Impulsfolge der Schalter A, B, C und D des Zerhackers 28 ist in Figur 2 dargestellt, und um die Größe des Transformators 24 zu verringern, kann der Zerhacker mit einer relativ hohen Geschwindigkeit umgeschaltet werden. Beispielsweise werden bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel die betreffenden Halb-Segmente des Zerhackers, jedes mit 20 KHz, umgeschaltet. Die speziellen Schaltungen, die in dem Vollwellen-Zerhacker verwendet worden können, sind bekannt und beispielsweise in den oben erwähnten US Patent 3 737 755 offenbart. Um die Schaltung in dem Teil des Systems zu vervollständigen, in dem Gleichstorm in Gleichstrom umgerichtet wird, ist die Freilaufdiode 32 vorgesehen, um sicherzustellen, daß der Strom in der Drosselspule 20 kontinuierlich fließt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird Einphasen-Wechselstrom aus der geregelten Gleichspannung erzeugt die an dem Kondensator 12 bereitgestellt wird. Kurz gesagt wird dies bewirkt durch Veranlassen, daß ein gleichgerichteter Sinusstrom von der Gleichspannung am Ausgang der Drosselspule 40 abgeleitet und der gleichgerichtete Sinusstrom einem Zerhackermittel 42 zugeführt wird, um ihn in einen Wechselstrom umzurichten.
Es wird auf Figur 1 Bezug genommen. Der Signalgenerator 44 ist vorgesehen zum Erzeugen einer gleichgerichteten Sinusspannung bei einer Frequenz, die das Doppelte der gewünschten Frequenz der Ausgangsspannung beträgt, d.h. 120 Hz, wenn die gewünschte Frequenz der Ausgangsspannung 60 Hz beträgt. Diese Spannung wird einem Eingang des Vergleichers 46 zugeführt, während die andere Eingangsgröße ein Signal ist, das von der Einphasen- Ausgangswechselspannung über die Spannungsteiler-anordnung aus. den Widerständen 60, 62, 64 abgeleitet wird. Dieses Signal ist auch eine gleichgerichtete Sinuswelle, deren Größe der Größe der Einphasen-Ausgangsspannung entspricht. Daher ist das Ausgangssignal des Vergleichers 46 eine gleichgerichtete Sinuswelle, deren Größe dem Grad der Spannungsregelung entspricht, die notwendig ist
Die Ausgangsspannung des Vergleichers 46 steuert den Impulsbreiten-Modulator 50, der vorzugsweise bei einer relativ hohen Frequenz umgeschaltet wird, z.B. bei 40 KHz. Die Drosselspule 40 filtert die Hochfrequenz heraus und stellt dadurch eine gleichgerichtete Sinuswelle mit der gleichen Frequenz bereit, wie sie von dem Signalgenerator 44 geliefert wird, z.B. 120 Hz, und die eine Amplitude besitzt, die durch den Grad der Spannungsregelung bestimmt wird, die durch den Vergleicher 46 eingeführt wird.
Diese gleichgerichtete Sinusspannung wird dem Zerhacker 42 zugeführt, der sie in eine Wechselspannung umrichtet. Beim Betrieb des Zerhackers werden entsprechende Schalterpaare A', C', und B', D' abwechselnd geschaltet, wie das in Verbindung mit dem Diagramm der Spannungsverläufe nach Fig. 2 dargestellt ist. Jedes Paar wird mit der gewünschten Frequenz der Ausgangsspannung umgeschaltet, z.B. 60 Hz, was bewirkt, daß eine geregelte Einphasen-Ausgangswechselspannung auf den Ausgangsleitungen 4 erscheint. Die Freilaufdiode 58 ist vorgesehen, um sicherzustellen, daß der Strom durch die Drosselspule 40 kontinuierlich fließt, und ein Filterkondensator kann zwischen der Drosselspule und der Diode 58 angeschlossen sein.
Es sei bemerkt, daß das Signal für das Umschalten des Zerhackers 42 als auch die Signale zum Steuern der Spannungsgeneratoren 44 und 62 für die gleichgerichteten Sinusspannungen von der gleichen Taktquelle abgeleitet werden, so daß sie miteinander synchronisiert sind. Bei einer wirklichen Ausführungsform würde ein Taktgeber vorgesehen sein, und alle Signale der Umschaltfrequenz würden von dem Taktgeber abgeleitet werden.
Daher wird gemäß der Erfindung eine Einphasen-Ausgangs-Wechselspannung geliefert, die nicht gestört wird, wenn die Eingangsspannung sich ändert oder wenn eine Eingangsphase ausfällt. Wenn das auftreten sollte, bleibt die geregelte Gleichspannung am Kondensator 12 die gleiche und daher auch die Einphasen-Ausgangswechselspannung auf den Leitungen 4.
In diesem Zusammenhang stellt Fig. 3 die Ströme auf den Eingangsleitungen der drei Phasen dar und die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom bei Vollast. Fig. 4 zeigt den Strom einer Eingansphase, wenn eine Eingangsphase unterbrochen ist, zusammen mit der Ausgangsspannung und dem Ausgangsstrom bei Vollast während dieses Zustandes. Es ist ersichtlich, daß die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom nicht gestört werden, wenn eine Eingangsphase ausfällt, da sie im wesentlichen in beiden Figuren 3 und 4 gleich sind.
Figur 5 ist eine Darstellung für die Ausführung des Netzgerätes der Erfindung. Es sei bemerkt, daß die Schaltung in einem rechteckigen Metallgehäuse 70 angeordnet ist, das Griffe 72 und 84 aufweist. Eine entfernbare Gebläsebaugruppe 76 ist vorgesehen, um ein leichtes Austauschen im Falle eines Ausfalls zu ermöglichen. Die Einheit ist so angeordnet, daß sie bei herausgezogener Gebläsebaugruppe odei bei ausgefallenem Gebläse nicht arbeitet
Der Dreiphasen-Eingangsstecker 78 und ein Wechselstrom- Ausgangsstecker 80 sind vorgesehen, die auch LED-Zustands-Anzeiger 82, die Unterspannungs-, Überspannungs- und Überstrom- Bedingungen anzeigen wie auch den normalen Betrieb. Ein Stromkreisunterbrecher 84 sorgt für das Ein-/ und Ausschalten der Einheit und den Schutz des Hauptstromkreises.
Es wurde ein Dreiphasen-Einphasen-Umrichter gemäß der Erfindung beschrieben. Während die Erfindung in Verbindung mit einem erläuternden Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, sollte es sich verstehen, daß die Erfindung nur durch die hier angefügten Patentansprüche begrenzt wird.

Claims

1. Gerät zum Umrichten einer Dreiphasen-Eingangsspannung (2) in eine Einphasen-Ausgangsspannung (4), enthaltend:

Mittel (6) zum Gleichrichten der Dreiphasen- Eingangsspannung (2), um einen Gleichstrom zu liefern,

Mittel (40, 42) zum Erzeugen einer Einphasen-Ausgangs- Wechselspannung aus dem Gleichstrom,

gekennzeichnet durch:

Mittel (8, 32, 20, 28, 24, 30), um aus dem Gleichstrom eine Gleichspannung an einem Speicherkondensator (12) abzuleiten,

Mittel zum Regeln der Gleichspannung an dem Kondensator (12), um die Einphasen-Ausgangsspannung (4) nicht zu beeinflussen, wenn ein Ausfall einer der Dreiphasen- Eingangsleitungen auftritt,

wobei die Mittel zum Regeln der Gleichspannung an dem Kondensator (12) erste Mittel (8, 14, 16) zur Spannungsregelung umfassen, die auf die Größe der Gleichspannung zum Modulieren des Gleichstroms ansprechen, um die Gleichspannung im wesentlichen konstant zu halten.

2. Gerät nach Anspruch 1, weiter enthaltend

zweite Mittel (44, 46,50) zur Spannungsregelung, um die Einphasen-Ausgangs-Wechselspannung zu regeln.

3. Gerät nach den Ansprüchen 1 oder 2, bei dem

die Mittel zum Erzeugen der Ausgangs-Wechselspannung einschließen:

Mittel (40) zum Liefern einer gleichgerichteten Sinusspannung und

Mittel zum Zuführen der gleichgerichteten Sinusspannung zu einem Mittel (42) zur Wechselrichtung für das Liefern der Ausgangs-Wechselspannung.

4. Gerät gemäß irgendeinem der Ansprüche 2 oder 3, bei dem

die zweiten Mittel (44, 46, 50) zur Spannungsregelung einen Impulsbreiten-Modulator (50) und ein Filtermittel enthalten.

5. Gerät nach irgendeinem der Ansprüche 3 oder 4, bei dem

die Mittel (40) zum Liefern der gleichgerichteten Sinusspannung weiter enthalten:

ein Mittel (44) zum Erzeugen einer gleichgerichteten Sinusspannung und

ein Mittel (46), um zu bewirken, daß die Einschaltdauer, die durch den Impulsbreiten-Modulator (50) bewirkt wird, durch die gleichgerichtete Sinusspannung, die erzeugt wird, gesteuert wird oder durch ein Signal, das davon abgeleitet wird.

6. Gerät gemäß irgendeinem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem

das Mittel (44) zum Liefern der gleichgerichteten Sinusspannung solch eine Spannung mit der doppelten als der gewünschten Frequenz der Einphasen-Ausgangs-Wechselspannung liefert, und

bei dem das Mittel (42) zur Wechselrichtung mit der gewünschten Frequenz der Ausgangsspannung umgeschaltet wird.

7. Gerät gemäß irgendeinem der obigen Ansprüche, bei dem

die ersten Mittel (8, 14, 16) zur Spannungsregelung einen Impulsbreiten-Modulator (8) und eine Drosselspule (20) einschließen.

8. Gerät nach Anspruch 7, weiter enthaltend:

ein Vollwellen-Zerhackermittel (28), das mit der Drosselspule (20) verbunden ist,

einen Transformator (24) der eine Primärwicklung besitzt die mit dem Ausgang des Vollwellen-Zerhackermittels (28) verbunden ist, und eine Sekundärwicklung, die über das Gleichrichtermittel (30) mit dem Speicherkondensator (12) verbunden ist

9. Gerät gemäß irgendeinem der obigen Ansprüche,

das in einem Gehäuse (70) enthalten ist, das die Form eines rechtwinkligen Körpers aufweist, und

bei dem ein Dreiphasen-Eingangsstecker (78), ein Wechselstrom-Ausgangsstecker (80), Mittel (84) zur Stromkreisunterbrechung, ein Griff (72, 74) und Zustandsanzeiger (82) alle an einem Ende des rechtwinkligen Körpers angeordnet sind.

10. Verfahren zum Umrichten einer Dreiphasen-Eingangsspannung in eine Einphasen-Ausgangsspannung (4), umfassend die Schritte des:

Gleichrichtens der Dreiphasen-Eingangsspannung, um einen Gleichstom zu liefern,

Ableitens einer Gleichspannung von dem Gleichstrom,

wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch

das Speichern von Energie des Gleichstromes in einem Speicherkondensator,

das Regeln der Gleichspannung, um die Einphasen- Ausgangsspannung (4) nicht zu beeinflussen, wenn ein Ausfall einer der Dreiphasen-Eingangsleitungen auftritt, und

das Erzeugen einer Einphasen-Ausgangs-Welchselspannung aus der geregelten Gleichspannung.