DE69111986T2

DE69111986T2 - Einphasige Leistungswandlereinrichtung.

Info

Publication number: DE69111986T2
Application number: DE69111986T
Authority: DE
Inventors: Deepakraj M Divan
Original assignee: Wisconsin Alumni Research Foundation
Current assignee: Wisconsin Alumni Research Foundation
Priority date: 1990-11-13
Filing date: 1991-06-21
Publication date: 1995-11-23
Anticipated expiration: 2011-06-22
Also published as: JPH04289782A; ATE126410T1; KR920011040A; JP2680494B2; ES2075356T3; EP0486130A2; DE69111986D1; DK0486130T3; EP0486130B1; EP0486130A3; KR960016604B1; US5099410A; GR3017364T3

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der elektrischen Leistungsversorgungen und genauer Leistungsversorgungen, die statische Leistungsumsetzungsvorrichtungen verwenden.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Es sind verschiedene Schaltungen entwickelt worden, um elektrische Leistung von einer Spannung oder Frequenz auf eine andere Spannung oder Frequenz umzusetzen. Eine gewöhnliche monolithische Schaltungsstruktur zum Umsetzen von Wechselstromleistung (AC) auf eine weitere Frequenz (AC/AC-Leitungsumsetzung) umfaßt z. B. eine Gleichrichterbrücke, die die Eingangswechselspannung in eine Gleichspannung auf einer Gleichstromverbindung umsetzt, sowie einen monolithischen Invertierer, der die Gleichspannung zum einem Wechselstrom mit einer gewünschten Frequenz invertiert. Ein einfaches Verfahren zur Umsetzung des Ausgangsspannungspegels auf einen anderen Pegel als den der Eingangsspannung ist ein Aufwärts- oder Abwärtstransformator entweder auf der Eingangs- oder der Ausgangsseite. Transformatoren sind jedoch relativ groß, schwer und teuer. Insbesondere wenn die Leistungsversorgungsschaltung ermöglichen soll, die Ausgangsspannung trotz Veränderungen bei der Eingangsspannung auf einem gewünschten Pegel zu halten (oder umgekehrt ermöglichen soll, bei einer konstanten Eingangsspannung die Ausgangsspannung auf einen gewünschten Pegel einzustellen), können komplexere Transformatorstukturen erforderlich sein. Einige Leistungsumsetzungsschaltungen verwenden z. B. Stufentransformatoren, bei denen die Primärwicklung mehrere getrennte Stufen umfaßt, die über statische Schalter mit den Eingangsanschlüssen verbunden werden, wobei eine Steuerschaltung die Ausgangsspannung überwacht und die geeigneten statischen Schalter auf der Eingangsseite schaltet, um auf der Ausgangsseite annähernd die gewünschte Spannung zu erhalten. Schaltstufenanordnungen erfordern jedoch viele Schalter wie z. B. Thyristoren und erlauben nur eine grobe Regelung der Ausgangsspannung. Ferner kann die Verzerrung der Spannung an der Last nicht gut geregelt werden.
Ein weiterer Typ einer Leitungskonditionierungsstruktur verwendet einen ferroresonanten Transformator, bei dem der Transformator selbst an eine Schaltung angeschlossen ist, die für eine passive Kompensation von kurzzeitigen Veränderungen der Eingangsspannung sorgt. Ferroresonante Transformatoren sind weit verbreitet und ergeben eine brauchbare Spannungsregelung, typisch plus oder minus 4 % am Ausgang bei -20 % bis + 10 % Veränderung der Eingangsspannung. Jedoch kann die Ausgangsverzerrung von Lasteingangsoberwellen abhängig sein und können die gezogenen Eingangsströme unerwünschte Leistungsfaktoren und Verzerrungspegel aufweisen.
Sowohl die Stufentransformatoren als auch die ferroresonanten Transformatoren sind durch das Vorhandensein des Niederfrequenztransformators beschränkt der die volle Leistung übertragen können muß. Für einen 1kVA-Leitungskonditionierer kann z. B. der Transformator selbst mehr als dreißig bis vierzig Pfund wiegen und ist somit das Hauptbauteil, das die Größe des Gehäuses bestimmt, das die Leistungskonditioniervorrichtung enthält.
Das US-Patent an Umezu 4,656,571 verwendet einen Spannungsverdoppler, um die verfügbare Ausgangswechselspannung zu erhöhen. Jedoch erfordern solche Schaltungen typischerweise, daß die Eingangswechselspannung vollständig auf einen Gleichspannungspegel auf einem Gleichspannungsbus umgesetzt und dann unter Verwendung einer Vollbrücke, z. B. vier Schaltungen zur Erzeugung einer Einphasen-Ausgangsspannung und sechs Schaltungen zur Erzeugung einer Dreiphasen-Ausgangsspannung, in Wechselstromleistung umgesetzt wird, wie im Patent an Umezu gezeigt ist.
Statische Leistungsumsetzungsvorrichtungen werden häufig auch in unterbrechungsfreien Leistungsversorgungssystemen (UPS) verwendet, in welchen der Umsetzer während des Normalbetriebs Leistung von einer Wechselspannungsquelle an eine Last liefert, während er bei einem Netzausfall auf die Leistung einer Speichervorrichtung (z. B. einer Batterie) umschaltet, die an die Gleichspannungsbusleitungen angeschlossen ist. Ein einfacher Schaltumsetzer, mit dem mit nur zwei Invertiererschaltern ein UPS-Betrieb möglich ist, ist in der britischen Patentanmeldung GB 2,111,326A an Berman gezeigt, die dem Oberbegriff des beigefügten Anspruchs 1 zugrundeliegt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine einphasige Wechselspannungs-Leistungsumsetzungsvorrichtung geschaffen, die Leistung von einer Wechselspannungsleistungsquelle (21) mit einer bestimmten Frequenz und einem bestimmten Spannungspegel umsetzt, um an eine Last (22) Leistung zu liefern, mit:
(a) einem Paar von Gleichrichtervorrichtungen (48, 49), die an einem ersten Knoten (I) miteinander verbunden sind, wobei eine Gleichrichtervorrichtung (49) so angeschlossen ist, daß sie in Richtung zum Knoten leitend ist, und die andere Gleichrichtervorrichtung (48) so angeschlossen ist, daß sie in Richtung weg vom Knoten leitend ist;
(b) einem Paar von Kondensatoren (50, 51), die an einem zweiten Knoten (II) miteinander verbunden sind;
(c) einem Paar von steuerbaren Aus/Ein-Schaltvorrichtungen (53, 54), die an einem dritten Knoten (III) miteinander verbunden sind;
(d) einem Paar von Gleichstrombusleitungen (58, 59), die die Paare Von Gleichrichtervorrichtungen (48, 49), von Kondensatoren (50, 51) und von Schaltvorrichtungen (53, 54) parallel miteinander verbinden; und
(e) einem Steuermittel (28), das die Schaltvorgänge der Schaltvorrichtungen steuert, wenn die Wechselspannungsleistungsquelle so angeschlossen ist, daß sie zwischen dem ersten Knoten (I) und dem zweiten Knoten (II) eine Wechselspannung anlegt; dadurch gekennzeichnet, daß:
das Steuermittel (28) so beschaffen ist, daß es die Schaltvorgänge der Schaltvorrichtungen in der Weise steuert, daß sich die Ausgangsspannung zwischen dem dritten Knoten und dem ersten Knoten, die die für die Last bereitgestellte Ausgangsspannung ist, von der durch die Wechselspannungsleistungsquelle bereitgestellten Eingangsspannung unterscheidet und die gleiche Frequenz wie die Spannung der Wechselspannungsleistungsquelle besitzt.
Folglich erlaubt eine Leistungsumsetzungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, daß eine Quellenwechselspannung mit einem bestimmten Spannungspegel ohne einen Transformator und mit einem Minimum an monolithischen Schaltvorrichtungen auf eine Ausgangswechselspannung mit einem anderen Spannungspegel umgesetzt wird. Die Wechselspannungseingangsleistung wird auf eine Wechselspannungsausgangsleistung mit der gleichen Frequenz umgesetzt, ohne eine Vollbrückenumsetzung der Eingangswechselspannung auf einen Zwischengleichspannungspegel. Die Vorrichtung kann z. B. als ein Spannungsverdoppler ausgeführt werden, kann eine Leistungskonditionierung schaffen, um den Ausgangsspannungspegel trotz Veränderungen des Eingangsspannungspegels zu regeln, und kann ferner durch Vorsehen einer Reserveleistungsquelle, z. B. einer Batterie, von der Leistung bezogen werden kann, um die Eingangsspannung zu liefern, falls die Eingangsleistung ausfällt, als eine unterbrechungsfreie Stromversorgung ausgelegt sein. Ferner stellt die Vorrichtung eine gemeinsame Masse für den Eingang (Leistungsquelle) und den Ausgang (Last) zur Verfügung.
Die drei Knoten können als die drei Anschlüsse des Umsetzungsvorrichtung dienen. Der erste Anschluß oder Knoten ist sowohl der Eingangsleistungsquelle als auch der Last gemeinsam, während der zweite Knoten oder Anschluß mit der Quelle verbunden und der dritte Knoten oder Anschluß mit der Last verbunden sind. Da die Last zwischen den ersten und dritten Anschlüssen und die Quelle zwischen den ersten und zweiten Anschlüssen angeschlossen ist, kann die Umsetzerschaltung so gesteuert werden, daß sie der Last eine Spitzen-Spitzen- Ausgangsspannung zur Verfügung stellt, die im wesentlichen das Doppelte der Spitzen-Spitzen-Eingangsspannung beträgt, oder daß sie mit einem angeschlossenen Tiefpaßfilter, das die Ausgangsspannung für die Last filtert und eine im wesentlichen sinusförmige Welle erzeugt, falls gewünscht, die an die Last angelegt Ausgangsspannung derart steuert, daß die Spannung an der Last von im wesentlichen Null bis im wesentlichen der zweifachen Spitzen-Spitzen-Eingangsspannung verändert werden kann. Um eine Verdoppelung der Effektivspannung zu erreichen, kann die Steuerung abwechselnd und in Phase mit der Eingangsspannung Einschalt- und Ausschaltsignale für die steuerbaren Schalter erzeugen, so daß die Spannung über einen der aufgeladenen Kondensatoren plus der Eingangsspannung während eines Halbzyklus der Eingangsleistungswelle an die Last angelegt wird, während die Spannung über dem anderen aufgeladenen Kondensator und die Eingangsspannung der umgekehrten Polarität während der zweiten Hälfte der Eingangsspannungswelle an die Last angelegt wird. Um weniger als eine vollständige Spannungsverdoppelung der Ausgangsspannung über der Last zu erreichen, können die Schaltvorrichtungen für einen Einschaltzyklus eingeschaltet werden, der weniger als einen vollständigen Halbzyklus der Eingangsspannungswelle beträgt. Für das Schalten der Schaltvorrichtungen kann z. B. die Pulsbreitenmodulation verwendet werden, so daß über der Last eine gewünschte effektive Wechselspannung erzeugt wird. Es sind nur zwei Schaltvorrichtungen erforderlich, um eine solche Betriebsart zu erhalten.
Die Leistungsumsetzungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann durch Vorsehen einer Gleichstromenergiespeichervorrichtung zwischen den Gleichstrombusleitungen, die die Paare der Schaltvorrichtungen verbinden, für einen Betrieb als unterbrechungsfreie Leistungsversorgung weiter ausgebaut werden. Die Speichervorrichtung kann ein großer aufgeladener Kondensator sein, der während normaler Eingangsleistungsbedingungen unter Verwendung der schaltbaren Gleichrichtervorrichtungen statt der passiven Gleichrichtervorrichtungen aufgeladen werden kann. Die Verwendung aktiver statt passiver Vorrichtungen erlaubt ebenso die Steuerung des Eingangsstroms, das Erzielen des Leistungsfaktors 1 und die Steuerung der Batterieaufladung, falls eine Batterie anstelle des Kondensators eingesetzt wird. Der Kondensator wird ausreichend Leistung zur Verfügung stellen, so daß die Spannung über der Last während eines kurzfristigen Eingangsleistungsausfalls gehalten werden kann. Um während eines totalen Eingangsleistungsausfalls eine ununterbrochene fortlaufende Ausgangsleistung zu ermöglichen, kann an den Gleichspannungsbus eine Langzeit- Speichervorrichtung wie z. B. eine Speicherbatterie angeschlossen und während der Zeitspannen der normalen Eingangsleistung aufgeladen werden. Während eines Leistungsausfalls kann die nicht neutrale Eingangsleitung von der Umsetzungsvorrichtung abgekoppelt werden, wobei dann von der Batterie die kontinuierliche Leistung der Last zur Verfügung gestellt wird.
Die Umsetzungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung schafft eine besonders einfache Schaltungsstruktur, die nur zwei steuerbare Schaltvorrichtungen erfordert, um die Wechselspannungsausgangsleistung für die Last zu erzeugen und eine Steuerung des Spannungspegels dieser Leistung zu erlauben, um den Leistungspegel zu regeln oder Veränderungen des Eingangsspannungspegels unter Verwendung relativ einfacher Steuervorrichtungen zu kompensieren.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden genauen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In den Zeichnungen:
ist Fig. 1 ein Blockschaltbild der Umsetzungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung, die in einer beispielhaften Konfiguration mit einer Eingangsleistungsquelle und einer Last verbunden ist.
ist Fig. 2 ein schematisches Schaltbild der Umsetzungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung, die derart mit einer Last verbunden ist, daß ein Spannungsverdopplungsbetrieb erreicht wird.
zeigt Fig. 3 beispielhafte Spannungs- und Stromwellen für die Schaltung der Fig. 2.
ist Fig. 4 eine beispielhafte Steuerschaltung für die Spannungsverdopplungsschaltung der Fig. 3.
ist Fig. 5 eine weitere Steuerschaltung für die Spannungsverdopplungsschaltung der Fig. 2.
ist Fig. 6 ein schematisches Schaltbild der Umsetzungsvorrichtung der Erfindung, die so beschaffen ist, daß sie die Steuerung der an die Last angelegten Spannung erlaubt.
ist Fig. 7 ein schematisches Blockschaltbild einer Steuervorrichtung zur Steuerung der Schaltvorgänge der Schaltvorrichtungen in der Schaltung der Fig. 6, um eine Rückkoppelungsregelung der Spannung über der Last zu erreichen.
ist Fig. 8 ein schematisches Blockschaltbild eines Sigma-Delta-Modulators, der in der Steuervorrichtung der Fig. 7 verwendet werden kann.
zeigt Fig. 9 Graphen beispielhafter Spannungswellen für die Schaltung der Fig. 6.
ist Fig. 10 ein schematisches Schaltbild der Umsetzungsvorrichtung der Erfindung, die so beschaffen ist, daß während eines kurzfristigen Eingangsleistungsausfalls der Last unterbrechungsfreie Leistung zur Verfügung gestellt wird.
ist Fig. 11 ein schematisches Schaltbild der Umsetzungsvorrichtung der Erfindung, die so beschaffen ist, daß während eines langandauernden Eingangsleistungsausfalls der Last unterbrechungsfreie Leistung zur Verfügung gestellt wird.
zeigt Fig. 12 Graphen beispielhafter Versorgungsspannungen und Leitungsstromwellen für die Schaltungen der Fig. 10 und 11.

GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Mit Bezug auf die Zeichnungen ist in Fig. 1 ein verallgemeinertes Blockschaltbild der Leistungsumsetzungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung allgemein mit 20 bezeichnet, welche so angeschlossen ist, daß sie von einer Quelle 21 Wechselspannung (AC) empfängt und an eine Last 22 Wechselspannungsleistung liefert. Die Vorrichtung 20 umfaßt eine in Fig. 1 allgemein mit 24 bezeichnete Umsetzungsschaltung, die drei Anschlüsse besitzt, die in Fig. 1 mit I, II und III bezeichnet sind. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist die Quelle 21 zwischen den Anschlüssen 1 und 11 angeschlossen, während die Last zwischen den Anschlüssen I und III angeschlossen ist. Eine neutrale Leitung 26 verbindet den Anschluß I mit der Quelle 21, während eine neutrale Leitung 41 den Anschluß I mit der Last 22 verbindet. Die Umsetzungsschaltung 24 ist so beschaffen, daß sie zwischen den Anschlüssen I und II die Eingangswechselspannung aufnimmt und zwischen den Anschlüssen I und III eine Ausgangswechselspannung mit der im wesentlichen gleichen Frequenz, jedoch mit einem Spannungspegel liefert, der sich von der von der Quelle bereitgestellten Spannung unterscheiden kann. Der Betrieb der Umsetzungsschaltung 24 wird von einer Steuervorrichtung 28 gesteuert, die auf den Leitungen 29 Steuersignale für die Umsetzungsschaltung 24 erzeugt. Zum Zweck der Darstellung besitzt die gezeigte Steuervorrichtung 28 mit den Anschlüssen I und II verbundene Leitungen 30, die die Eingangsspannung der Umsetzungsschaltung erfassen, mit den Anschlüssen I und III verbundene Leitungen 31, die die Ausgangsspannung erfassen, sowie eine Leitung 33, die mit einem Stromwandler 34 verbunden ist, der verwendet werden kann, um den zur Last 22 fließenden Strom IL zu erfassen.
Bei der vorliegenden Erfindung kann die Umsetzungsschaltung 24 von der Steuervorrichtung 28 gesteuert werden, um an die Last 22 eine Ausgangsspannung zu liefern, die entweder der zweifachen Spitzen-Spitzen- Quellenspannung VS oder einer kleineren Spannung entspricht, die entsprechend einem gewünschten Pegel gewählt werden kann und die geregelt werden kann, um diesen Pegel trotz Veränderungen der Werte der Quellenspannung oder des Laststromes beizubehalten. Um eine Betriebsart mit einstellbarer Spannung an der Last zu erhalten, ist vorzugsweise eine Tiefpaßfilterschaltung vorgesehen, die aus einem mit den Anschlüssen I und III verbundenen Kondensator 36 sowie einer mit der Last zwischen den Anschlüssen I und III in Reihe geschalteten Spule 37 besteht, wobei sowohl der Kondensator 36 als auch die Spule 37 in Fig. 1 in gestrichelten Linien dargestellt ist. Dieses LC-Filter dient zur Filterung der modulierten Spannung, die von der Umsetzungsschaltung 24 erzeugt wird. Zusätzlich kann eine optionale Energiespeichervorrichtung 39, die über die Leitungen 40 mit der Umsetzungsschaltung 24 verbunden ist, der Umsetzungsschaltung vorübergehend Leistung zur Verfügung stellen, um während kurzfristiger Unterbrechungen der von der Quelle 21 zur Verfügung gestellten Quellenspannung VS die Ausgangsspannung zu unterstützen. Die Energiespeichervorrichtung 39 kann die Form eines großen Energiespeicherkondensators, der während des Normalbetriebs aufgeladen gehalten werden kann und entladen werden kann, um die Umsetzungsschaltung durch kurze Unterbrechungen zu führen, oder die Form einer Batterie annehmen, die der Umsetzungsschaltung Langzeit- Gleichspannungsleistung zur Verfügung stellt. Gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet die Umsetzungsschaltung 24 nur passive Bauteile und elektronische Schalter und benötigt keine Transformatoren, weder um die der Last zur Verfügung gestellte Leistung zu regeln, noch um die Einstellung des Pegels der der Last zur Verfügung gestellten Spannung zu ermöglichen. Es könnte jedoch ein Transformator verwendet werden, falls eine Isolierung erwünscht ist.
Eine Ausführung der Leistungsversorgungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung mit einer als Spannungsverdoppler ausgeführten Umsetzungsschaltung ist in Fig. 2 gezeigt. Zum Zweck der Darstellung sind die Eingangsleitungen 26 und 27, die der Umsetzungsschaltung die Spannung VI der Quelle zur Verfügung stellen, und die Ausgangsleitungen 41, 42, die die Umsetzungsschaltung mit der Last verbinden, in Fig. 1 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die neutrale Eingangsleitung 26 ist mit dem ersten Knoten verbunden, der in Fig. 2 als Anschluß oder Knoten I markiert ist und mit einem Paar von Gleichrichtervorrichtungen (z. B. Halbleiterdioden) 48 und 49 verbunden ist, wobei die Gleichrichtervorrichtungen derart miteinander verbunden sind, daß sie in die gleiche Richtung leitend sind, d. h. die Vorrichtung 48 ist so angeschlossen, daß sie vom Knoten weg leitet, während die Vorrichtung 49 so angeschlossen ist, daß sie zum Knoten hin leitet. Die andere Eingangsleitung 27 ist mit dem zweiten Knoten oder Anschluß II verbunden, der mit einem Paar von Kondensatoren 50 und 51 verbunden ist. Der dritte Knoten oder Anschluß III ist mit zwei Schaltvorrichtungen, die in Fig. 2 als Bipolartransistoren 53 und 54 gezeigt sind, und dazu parallel geschaltete Dioden 55 bzw. 56 verbunden, wobei die Schaltvorrichtungen derart angeschlossen sind, daß sie in die gleiche Richtung leitend sind. Die zwei Gleichrichtervorrichtungen oder Dioden 48 und 49, die zwei Kondensatoren 50 und 51 sowie die zwei Schaltvorrichtungen 53 und 54 sind über die Gleichspannungsbusleitungen 58 und 59 zueinander parallel geschaltet. Diese Leitungen werden als Gleichspannungsbusleitungen bezeichnet, da die Spannung über diesen unipolar ist, es ist jedoch klar, daß die momentane Spannung über den Leitungen zeitveränderlich ist. Die Last 22 ist über eine der Eingangsleitungen 42 mit dem Knoten III und über eine Leitung 41 mit dem gemeinsamen Knoten I verbunden. Die Spannung über der Last ist gleich der Spannung über den Knoten I und III, die mit Vo bezeichnet ist. Der von der Quelle in den neutralen Knoten I fließende Strom ist mit Ii bezeichnet. Die Spannung über dem Kondensator 50 ist mit VC&sub1; bezeichnet, während die Spannung über dem Kondensator 51 mit VC&sub2; bezeichnet ist.
Die in der Schaltung der Fig. 2 vorkommenden Wellen sind in Fig. 3 dargestellt. Die Schaltung arbeitet wie folgt. Wenn sich Vi in der positiven Hälfte ihrer Welle befindet, wird die Spannung VC&sub1; über dem Kondensator 50 gleich der Eingangsspitzenspannung, während der Kondensator geladen wird. Bei einem Effektivwert der Eingangsspannung von 115 Volt ist z. B. der Spitzenwert der Spannung Vc&sub1; am Kondensator 50 ungefähr 162 Volt. Während des positiven Abschnitts der Welle der Eingangsspannung Vi ist der Schalter 54 eingeschaltet, d. h. er befindet sich im leitenden Zustand. Folglich werden die (positive) Eingangsspannung und die Spannung über dem Kondensator 51 Vc&sub2; (die zu diesem Zeitpunkt negativ ist) in Serie der Last aufgeprägt. Während dieses Halbzyklus sinkt die Spannung Vc&sub2; in Abhängigkeit von der Lastschaltung etwas ab, während der Kondensator 51 entladen wird. Während sich Vc&sub2; in die Last 22 entlädt, baut sich die Spannung Vc&sub1; über dem Kondensator 50 auf, während dieser von der Quellenspannung aufgeladen wird. Ein ähnlicher Zyklus wird während des Halbzyklus wiederholt, bei dem die Eingangsspannung Vi negativ ist, wobei zu diesem Zeitpunkt Vc&sub1; entladen wird, während er in Serie mit der Eingangsspannung Spannung an die Last liefert, und die Spannung Vc&sub2; bis auf einen Spannungspegel von - Vp anwächst (die Quellenspitzenspannung), während der Kondensator 51 aufgeladen wird. Die Wellen für die Spannungen Vi, Vc&sub1;, Vc2 und Vo und für den Eingangsstrom Ii sind für diese Schaltung in Fig. 3 als eine Funktion des Eingangswellenwinkels θ gezeigt. Die Halbwellenzeitspanne T&sub1; ist die Zeitspanne, während der der Schalter 53 leitend und der Schalter 54 abgeschaltet ist, während die Zeitspanne T&sub2; die Halbwellenzeitspanne ist, während der der Schalter 54 eingeschaltet und der Schalter 53 ausgeschaltet ist.
Die Schaltvorrichtungen 53 und 54 können irgendwelche GTO-Typ-Vorrichtungen sein, einschließlich bipolarer Transistoren (wie in Fig. 2 gezeigt vorzugsweise mit parallelen Dioden zum Schutz der Transistoren) und verschiedener Typen anderer GTO-Ausschaltvorrichtungen wie z. B. FETs, GTO-Thyristoren und ähnliches.
Die vorliegende Erfindung verwendet die Eingangsspannung selbst als einen Teil der Gesamtspannung, die für eine Spannungsverdoppelung erforderlich ist. Die Schaltung der Fig. 2 kann sich von herkömmlichen Inverterschaltungen abheben, bei denen die Quelle zwischen den Anschlüssen I und II und die Last zwischen den Anschlüssen II und III angeschlossen sein kann. Eine solche Verbindung erlaubt, daß jede Frequenz an die Last angelegt werden kann. Die Ausgangsspannung ist jedoch auf weniger als die Eingangsspannung begrenzt.
Die Steuerung der Schaltung der Fig. 2 wird sehr einfach durchgeführt. Die Steuervorrichtung kann so beschaffen sein, daß sie während des Halbzyklus, in dem die Spannung Vi positiv ist, den Schalter 54 einschaltet, und diesen abschaltet, wenn Vi negativ ist, während der Schalter 53 während des zweiten Halbzyklus, wenn Vi negativ ist, eingeschaltet wird und abgeschaltet wird, wenn Vi positiv ist. Bei dieser Schaltanordnung ist die Schaltvorrichtung 53 oder 54 abgeschaltet wird, die über die Gleichspannungsbusleitungen mit der Gleichrichtervorrichtung 48 oder 49 verbunden ist, die leitend ist, während die Schaltvorrichtung eingeschaltet ist, die mit der nichtleitenden Gleichrichtervorrichtung verbunden ist. Zwischen den beiden leitenden Zeitspannen ist vorzugsweise eine gewisse Totzeit. Ein einfacher Steuerungsansatz ist die Verwendung eines kleinen Steuertransformators 60, wie in Fig. 4 gezeigt ist, an dessen Primärwicklung 61 die Eingangsspannung Vi anliegt und dessen zwei Sekundärwicklungen 63 und 64 entsprechend mit den Steueranschlüssen (d. h. den Basen) der Schaltvorrichtungen 53 bzw. 54 verbunden sind. Die Sekundärwicklungen 63 und 64 sind so gepolt, daß sie einander entgegengesetzte Spannungspolarität aufweisen.
Die Spannungsverdopplungsschaltung der Fig. 2 besitzt mehrere erwünschte Merkmale. Erstens wird sowohl für die Eingangsleistungsquelle als auch für die Last ein neutraler Massepunkt geschaffen. Die Spitzenspannung am Ausgang beträgt (bei effektiv 115 Volt am Eingang) nicht mehr als 2 x 230 Volt (ungefähr 325 Volt), was für ein 230-Volt-System ein normaler Spannungsbereich ist. Die Spannungsverdopplungsschaltung kann folglich sowohl für elektronische Lasten als auch für Motoren und Heizvorrichtungen verwendet werden. Sie ist sehr einfach und besitzt eine geringe Anzahl von Bauteilen. Mit steigendem Laststrom sinkt die Ausgangsspannung. Dies bietet einen gewissen Schutz gegen Überlastung. Falls ein zusätzlicher Schutz erforderlich ist, kann in die Schaltung eine Strombegrenzung eingefügt werden. Ein einfacher Ansatz ist, beide Schalter 53 und 54 abzuschalten, wenn ein Überstrom erfaßt wird.
In Fig. 5 ist eine Überlastschutzschaltung gezeigt, die einen Stromtransformator 70 in der Ausgangsleitung 42 verwendet. Die Ausgangsspannung der Sekundärwicklung des Transformators 70 wird über eine Gleichrichterbrücke 70 gleichgerichtet, wobei die gleichgerichtete Ausgangsspannung an die Ausgangsleitungen 72 und 73 angelegt wird. An die Primärwicklung des Transformators 60 ist ein Triac 75 angeschlossen, dessen Gate- Eingang mit der Eingangsleitung 73 verbunden ist. Immer wenn vom Transformator 70 ein Überstrom erfaßt wird, wird der Triac 75 eingeschaltet, der die Ströme zu den Basen der beiden Schaltvorrichtungen 53 und 54 abschaltet. Der Triac schaltet beim nächsten Spannungsnulldurchgang ab und die Schalter 53 und 54 können dann wieder auf normale Weise eingeschaltet werden.
Die Leistungsumsetzungsschaltung 24 kann so betrieben werden, daß die der Last zur Verfügung gestellte Leistung konditioniert wird, wenn die Schaltvorrichtungen 53 und 54 mit Pulsbreitenmodulation (PWM) gesteuert werden. Bei Verwendung einer solchen Steuerung der Schaltvorrichtungen 53 und 54 kann die Schaltung der Last 22 Ausgangsspannungen zur Verfügung stellen, die im wesentlichen alle Spannungen zwischen Null und der doppelten Eingangsspannung annehmen können. Die in Fig. 6 gezeigte Leistungsumsetzungsschaltung 24 ist so beschaffen, daß sie eine solche Leistungskonditionierungsmöglichkeit für die Last 22 bietet, wobei zusätzlich ein Tiefpaßfilter bestehend aus der Spule 37 in Serie mit der Last 22 und dem Kondensator 36 parallel zur Last 22 vorgesehen ist. In Fig. 6 sind die Schaltvorrichtungen 53 und 54 als Feldeffekttransistoren (FETs) dargestellt, statt der in den Fig. 2 und 4-5 gezeigten Bipolartransistoren für die Schaltvorrichtungen, wobei die Funktion der Schaltvorrichtungen jedoch exakt die gleiche ist. Für die vorliegende Erfindung können alle geeigneten steuerbaren Einschalt-Abschalt-Schaltelemente (z. B. MOSFETs, IGBTs, BJTS etc.) verwendet werden. Solche Vorrichtungen werden hier der Einfachheit der Beschreibung halber als "GTO"-Vorrichtungen bezeichnet, egal ob solche Vorrichtungen in herkömmlichen Beschreibungen ein Gate besitzen oder nicht. Die einzige Anforderung ist, daß die Vorrichtungen einschaltbar und abschaltbar sein sollten.
Die Schaltung der Fig. 6 nutzt ihre Spannungsverdopplungsmöglichkeit, um die Verstärkungseigenschaften zu verwirklichen, die für eine Leitungskonditionierungseinrichtung erforderlich sind. Auch diese Schaltung besitzt einen neutralen Masseanschluß für die Last, nämlich die Leitung 41, die am Knoten I mit der von der Spannungsquelle kommenden neutralen Leitung 26 verbunden ist. Die Arbeitsweise der Schaltung der Fig. 6 ist ähnlich derjenigen des Spannungsverdopplungsbetriebs, mit der Ausnahme, daß sie mit einem Pulsbreitenmodulationsverfahren betrieben wird. Wenn die Quellenspannung Vi positiv wird, wird der Schalter 54 eingeschaltet, um über den Anschlüssen I und II die maximale negative Spannung -(Vc&sub2; + Vip) aufzuprägen, wobei Vip der Spitzenspannungspegel der Eingangsspannung Vi ist, wobei die Anschlüsse I und II diese Spannung an die Kombination bestehend aus der Last 22 und dem LC-Filter, seinerseits bestehend aus der Spule 37 und dem Kondensator 36, anlegen. Wenn der Schalter 54 ausgeschaltet und der Schalter 53 eingeschaltet sind, wird an die Kombination von Last 22 und LC-Filter, seinerseits bestehend aus der Spule 37 und dem Kondensator 32, eine Spannung angelegt, die Vc&sub1; + Vip entspricht. Wenn die Diode 48 leitend ist, ist die Spannung Vc&sub1; über dem Kondensator 50 gleich Vi, während die an den Anschlüssen I und III anliegende Spannung gleich Null ist, wenn der Schalter 53 leitend ist. Ähnlich ist die Spannung Vc&sub2; über dem Kondensator 51 gleich Vi und erreicht Vip, wenn die Diode 49 leitend ist. Folglich ist es durch Veränderung des Einschaltzyklus oder der leitenden Perioden der Schalter 53 und 54 möglich, eine Steuerung des durch die Last fließenden Stromes IO oder der an der Last anliegenden Spannung zu erreichen. Pulsbreitenmodulationstechniken (PWM) sind im Stand der Technik bekannt. Siehe z. B. D. M. Divan, T. A. Lipo und T. G. Habetler, "PWM Techniques for Voltage Source Inverters", Tutorial Notes, Power Electronics Specialists Conference '90, San Antonio, Texas, Juni 1990.
Für die Schaltung der Fig. 6 sind verschiedene Steuervorrichtungen möglich. Eine einfache Ausführung ist ein Spannungsregler, der am Invertiererpol, dem Knoten III, die gewünschte Fundamentalspannungskomponente erzeugt. Eine solche Regelung kann z. B. durch Verwendung eines regelmäßig abgetasteten Sigma-Delta- Modulators erreicht werden. Ein anderer Weg, die Regelung zu erreichen, ist die Verwendung einer Deadbeat- Steuerung auf der Grundlage der Spannungen Vc&sub1;, Vc&sub2; und Vi.
Ein Blockschaltbild eines beispielhaften Spannungsreglers für die Schaltung der Fig. 6 ist in Fig. 7 gezeigt. Dieser Spannungsregler verwendet die Eingangsspannung Vi und die Invertiererausgangsspannung VO, die Spannung zwischen den Knoten III und I. Die Eingangsspannung Vi wird auf einer Leitung 85 einem Referenzgenerator, bestehend aus einem Synchronisierer 86 und einer Verstärkungs-Kompensationsschaltung 87, zur Verfügung gestellt. Der Synchronisierer 86 kann nach irgendeinem herkömmlichen im Stand der Technik bekannten Aufbau ausgelegt sein und erzeugt ein synchronisiertes Ausgangssignal, indem er z. B. das Eingangssignal filtert, um die Grundfrequenz zu isolieren, oder indem er eine PLL-Schaltung verwendet. Die Schaltung 87 bewirkt eine gewünschte Verstärkungskompensation des Ausgangssignals vom Synchronisierer 86, um die Referenzausgangsspannung Vor auf einer Leitung 89 zu berücksichtigen. Das Referenzspannungssignal Vor hat die richtige Amplitude, ist ein relativ reines Sinussignal und enthält keine Spitzen oder Rauschimpulse, die ansonsten in Vi vorhanden sein können. Die synchronisierte Ausgangsspannung Vor auf der Leitung 89 ist an eine Steuerschaltung 90 angelegt, die, falls erwünscht, ebenso das Roheingangssignal Vi auf einer Leitung 91 und die Ausgangsspannung Vo auf einer Leitung 93 empfängt. Die Steuerschaltung vergleicht das Referenzsignal Vor mit der Ausgangsspannung Vo unter normalen Bedingungen (oder mit der Eingangsspannung Vi, wenn kein Referenzsignal Vor vom Eingangssignal erhalten werden kann), um auf den Leitungen 95 ein Fehlerausgangssignal zu erzeugen. Diese Ausgangssignale werden an einen Pulsbreitenmodulator 96 angelegt, der auf den Leitungen 97 und 98 und über die Gate-Treiber 100 und 101 Gate-Ausgangssignale an die Gate-Leitungen 81 bzw. 82 der Schaltvorrichtungen 53 und 54 anlegt.
Eine alternative Steuerungsanordnung kann sowohl eine Spannungsrückführung von der Filterausgangsspannung als auch die Rückführung eines Spulenstromes und eines Ausgangsstromes (oder Kondensatorstromes) verwenden, um ein Fehlersignal zur Steuerung des Modulators zu erzeugen. Die Verwendung von Stromregelvorrichtungen ist bei pulsbreitenmodulierten Invertierern besonders vorteilhaft, insbesondere wenn Unempfindlichkeit gegenüber nichtlinearen Lasten erwünscht ist.
Beispielhafte Werte der Schaltungskomponenten für die Schaltung der Fig. 6 sind eine Kapazität von 1000 µF für die Kondensatoren 50 und 51, eine Kapazität Cf von 1000 µF für den Filterkondensator 36, eine Spule Lf von 100 uH für die Spule 37, eine Abtastfrequenz von 100 kHz, wobei die Kondensatoren für 150 Volt Spitzenspannung und die Schaltvorrichtungen für 325 Volt ausgelegt sind. Das Tiefpaß-LC-Filter, bestehend aus der Spule 37 und dem Kondensator 36, besitzt eine Grenzfrequenz von ungefähr 500 Hz und kann zusätzlich zur Filterung der Oberwellenanteile in der PWM-Welle Schutz vor Spitzen und kurzen Stößen auf der Leitung bieten. Eine solche Schaltung kann eine Ausgangsspannung über der Last 22 auf einem gewünschten Pegel (z. B. 115 Volt Effektivwert) halten, selbst wenn die Eingangsspannung Vi wesentlich unter diesen Pegel fällt (z. B. auf 85 Volt Effektivwert). Die Regelung der Ausgangsspannung wird ebenso erreicht, wenn die Eingangsspannung über die gewünschte Ausgangsspannung ansteigt.
Zusätzlich kann in der nicht neutralen Eingangsleitung 27 eine Leitungsinduktivität verwendet werden, falls erwünscht ist, den Aufladungsstoß der Kondensatoren 50 und 51 zu verringern. Die Kondensatoren 50 und 51 können entsprechend klein gewählt werden, was eine tiefe Entladung während jedes Zyklus erlaubt. Dies verringert die erforderliche Größe der Kondensatoren 50 und 51 und minimiert den Eingangsleitungs-Spitzenstrom.
Eine beispielhafte Sigma-Delta-Modulatorausführung der Steuervorrichtung 90 und des Modulators 96 ist in Fig. 8 gezeigt. An einem Additionspunkt 105 wird das Ausgangssignal Vo auf der Leitung 93 von der Referenzspannung Vor auf der Leitung 89 subtrahiert, wobei die Differenz an einen Integrierer 106 angelegt wird. Der Ausgang des Integrierers 106 wird an einen Zwei-Punkt-Begrenzer 107 angelegt, dessen Ausgang an eine Abtast-Halte-Schaltung 108 angelegt wird. Die Abtast-Halte-Schaltung empfängt auf einer Leitung 109 ein Signal mit der Abtastfrequenz und erzeugt auf einer Leitung 110 zwischen den jeweiligen Abtastimpulsen ein Ausgangssignal, das gleich dem Eingang der Abtast-Halte-Schaltung 108 zum Zeitpunkt des Abtastimpulses auf der Leitung 109 ist. Dieser Ausgang wird bis zum nächsten Abtastimpuls gehalten. Die Ausgangssignale auf der Leitung 110 werden an die Leitung 97 angelegt, die zur Gate-Treiberschaltung 100 führen, um die Gate-Leitung 81 der Schaltvorrichtung 53 zu treiben. Die Signale auf der Leitung 110 werden ebenso über eine Leitung 112 an einen Integrierer 113 angelegt, der die invertierten Ausgangssignale an die Leitung 98 anlegt, die zum Gate-Treiber 101 führt, der mit der Gate-Leitung 82 der Schaltvorrichtung 54 verbunden ist. Somit werden die Schaltvorrichtungen 53 und 54 so gesteuert, daß sie einander entgegengesetzt schalten.
In einer beispielhaften Ausführung der Schaltung der Fig. 6, die den Modulator der Fig. 8 verwendet, betrug die an die Abtast-Halte-Schaltung 108 angelegte Abtastfrequenz 30 kHz. Es wurden ein Filterkondensator 36 mit einem Wert Cf = 75 µF und Kondensatoren 50 und 51 von jeweils 470 µF verwendet. Diese Schaltung kann sowohl im Aufwärts- als auch im Abwärtsbetrieb betrieben werden. Die in Fig. 9 gezeigten Wellen werden z. B. im Aufwärtsbetrieb erhalten, wobei die Welle 120 die Eingangsspannung Vi bezüglich des neutralen Knotens I darstellt, die Welle 122 die pulsbreitenmodulierte Welle des Ausgangssignals Vo bezüglich des neutralen Knotens I darstellt und die Welle 123 die Differenzspannung Vo - Vi, die pulsbreitenmodulierte Welle, zeigt. Die Ausgangsspannungswelle 124 der Spannung V&sub1;, die über der Last 22 anliegt, befindet sich innerhalb der pulsbreitenmodulierten Hüllkurve der Welle 122.
Die vorausgegangenen Leitungskonditionierungsschaltungen können erweitert werden, um unterbrechungsfreie Leistung für eine Last zur Verfügung zu stellen, was die Verwendung der Schaltung als ein unterbrechungsfreies Leistungsversorgungssystem (UPS) erlaubt. Die Leistungsumsetzungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann als On-Line-UPS-System sowohl für Abwärts- als auch für Aufwärtsbetrieb konfiguriert werden, ohne einen Transformator zu benötigen.
In Fig. 10 ist eine Leistungsumsetzungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung gezeigt, die als eine UPS- Schaltung mit begrenzter Überbrückungsfähigkeit und passivem Energiespeicher konfiguriert ist. Die Schaltung ist im Grunde die gleiche wie die, die oben für den Leistungskonditionierer der Fig. 6 beschrieben ist, verwendet jedoch zusätzliche GTO-Schaltvorrichtungen 130 und 131, die an die Dioden 48 bzw. 49 angeschlossen sind. Zwischen der Leistungsquelle und dem Anschluß II sind in die Leitung 27 ein zusätzlicher statischer Zweiwegschalter 134 (z. B. ein Triac), der durch eine Gate-Steuerleitung 135 gesteuert wird, und eine kleine Lastinduktivität 136 eingeschaltet (um die Eingangsleitungs-Stromwelle zu verbessern). Es ist zu beachten, daß zum gleichen Zweck eine ähnlich kleine Spule in die Eingangsleitung 27 der Schaltungen der Fig. 2 und 6 eingesetzt sein kann. Zum Zweck der Beschreibung werden hier die Kombination der Schaltvorrichtung 130 und der Diode 48 und die Kombination der Schaltvorrichtung 131 und der Diode 49 als Gleichrichtervorrichtungen betrachtet. Wenn diese Gleichrichtervorrichtungen nur wie Dioden arbeiten, können nur Spannungen mit weniger als der Hälfte der gesamten Versorgungsspannung erreicht werden, da die Schalter 53 und 54 eine Halbbrücke bilden. Durch Verwendung der zusätzlichen Schalter 130 und 131 wird jedoch eine Vollbrückenschaltung erhalten. Somit kann für eine Eingangsspannung Vi von 115 Volt Effektivwert die Gleichstrombus-Spannung, die Spannung zwischen den Leitung 58 und 59, die die Gleichspannungsbusleitungen verbinden, bis ungefähr 350 Volt Gleichspannung aufgeladen werden. Um mit einer Vollbrücke eine Ausgangsspannung von 110 Volt zu erzeugen, braucht die Spannung auf dem Gleichspannungsbus nur mehr als 165 Volt zu betragen. Dementsprechend kann die Spannungsregelung mit einer Busspannung von ungefähr 350 Volt Gleichspannung bis herunter zu ungefähr 165 Volt Gleichspannung erhalten werden.
Wenn die Kondensatoren 50 und 51 ausreichend groß sind, kann in diesen Kondensatoren genügend Energie gespeichert werden, um eine Kurzzeit-Überbrückungsfähigkeit zu schaffen. In einer bevorzugten Alternative ist an den Gleichspannungsleitungen 58 und 59 parallel zu den Schaltvorrichtungen 53 und 54 ein großer Kondensator 140 angeschlossen, der ein Elektrolytkondensator sein kann, da an diesem nur eine Gleichspannung anliegt. Um die Ladegeschwindigkeit des Kondensators 150 zu steuern, wobei eine freie Entladung des Kondensators erlaubt wird, falls notwendig, werden an die Gleichspannungsbusleitungen 58 und 59 in Serie mit dem Kondensator 140 eine Diode 142 und eine parallel angeschlossene Spule 141 (oder alternativ ein kleiner Widerstand) angeschlossen. Der Ladestrom von den Leitungen 58 und 59 fließt mit einer niedrigen, begrenzten Rate durch den Kondensator 140. Wenn jedoch die Leistungsversorgungsspannung Vi fällt, wird der statische Zweiwegschalter 134 geöffnet, um die Leistungsumsetzungsschaltung von der Quelle zu trennen, wobei die Leistungsversorgung vom Kondensator 140 übernommen wird, bis dieser entladen ist. Zum Vergleich: Wenn der Kondensator 140 eine Kapazität von 1000 µF besitzt, ergibt eine Entladungsleistung von 1 Kilowatt (kW) eine Überbrückungsfähigkeit von 90 Millisekunden (ms). Durch Vergrößern der Kapazität des Kondensators 140 auf 10000 µF ergibt sich fast eine Sekunde Überbrückungszeit, was für viele Anwendungen ausreichend ist, bei denen kurzfristige Leistungseinbrüche verarbeitet werden müssen. Die Schaltung der Fig. 10 kann ohne die Elemente 140, 141 und 142 eine Überbrückungsfähigkeit schaffen. Um dies zu erreichen, müssen die Kondensatoren 50 und 51 jedoch relativ groß sein.
Da in der Schaltung der Fig. 10 vier aktive Schalter vorhanden sind, kann eine verbesserte Steuerung dieser Schaltung erreicht werden. Das Schalten der Schaltvorrichtungen 53, 54, 130 und 131 kann verwendet werden, um sowohl den Eingangsstrom als auch den Laststrom zu steuern. Eine solche Steuerung ergibt indirekt eine Steuerung der Gleichstrombus-Spannung. Dementsprechend ist die Schaltung zu einer vollständigen Steuerung des Ausgangsstromes und der Ausgangsspannung, des Eingangsstromes und der Gleichstrombus-Spannung sowie zur Erzeugung einer automatischen Uberbrückungsfähigkeit als Folge des weiten Arbeitsbereichs der Gleichstrombusspannung fähig. Die Schaltung der Fig. 11 kann als eine echte UPS-Schaltung dienen, indem der Kondensator 140 durch eine Batterie ersetzt wird, insoweit beide als Energiespeichervorrichtungen dienen. Die Batteriespannung in der Schaltung der Fig. 11 muß so groß wie die Spitzen-Spitzen- Spannung auf den Gleichstrombusleitungen sein, z. B. 350 Volt.
In Fig. 11 ist die Leistungsumsetzungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung gezeigt, die speziell für den UPS-Betrieb konfiguriert ist. Die Schaltung der Fig. 11 ist ähnlich deejenigen der Fig. 10, mit dem Hauptunterschied, daß der Kondensator 140 durch eine Batterie 146 ersetzt ist, die an die Gleichspannungsbusleitungen 58 und 59 angeschlossen ist. Um die der Batterie 146 zugeführte und von dieser entnommene Leistung zu steuern, sind in Serie mit der Batterie und einer kleinen Spule 151 eine GTO-Schaltvorrichtung 149 und eine dazu parallel geschaltete Diode 150 angeschlossen. Eine Diode 152 ist mit der Batterie 146 und der Spule 151 verbunden, um einen rückwärts fließenden Strom durch die Batterie zu verhindern. Die Schaltung der Fig. 11 kann sowohl im Aufwärtsbetrieb als auch im Abwärtsbetrieb arbeiten, d. h. es können sowohl größere Ausgangsspannungen als die Eingangsspannung als auch Spannungen kleiner als die Eingangsspannung erreicht werden. Die Schaltung 111 kann in UPS-Anwendungen ohne einen Niederfrequenztransformator verwendet werden, was die Kosten des UPS-Systems minimiert. Ein kontinuierlicher Betrieb über eine Versorgungsgleichspannung von 350 bis 165 Volt und Wechselstromanwendungen mit 115 Volt Effektivwert sind nun möglich, die eine passive Überbrückungsmöglichkeit zulassen.
Die aktiven Vorrichtungen in den Schaltungen der Fig. 10 und 11 müssen die doppelte Spitzenspannung der Eingangsspannung vertragen, wobei die Kondensatoren 50 und 51 einen relativ hohen Grenzstromwert aufweisen müssen. Die Kondensatoren 50 und 51 können jedoch ziemlich klein gehalten werden und somit während eines Halbzyklus beinahe vollständig entladen werden. Diese Schaltungen besitzen ferner die Vorteile einer hervorragenden Ausgangsregelfähigkeit, einer Steuerung der Eingangsströme sowie des Vorhandenseins eines gemeinsamen neutralen Punktes. In Fig. 12 sind beispielhafte Wellen der Versorgungsspannung Vi und des Leitungsstromes Ii für die Schaltungen der Fig. 10 und 11 gezeigt. Die Schaltungen ermöglichen vollständig gesteuerte Eingangsströme, was sinusförmige Eingangsströme mit einem Leistungsfaktor 1 erlaubt.
Die Schaltungskonfiguration der Fig. 11 erlaubt die Verwendung einer Batterie mit relativ niedriger Spannung und ermöglicht eine tiefe Gleichspannungsbus-Entladefähigkeit. Der Schalter 149, die Spule 151 und die Diode 152 bilden eine Abwärts-Chopper-Schaltung, die zum Aufladen der Batterie 146 verwendet werden kann, welche nun auf der Hälfte des normalen Gleichspannungsbuswertes (z. B. 165 Volt) gehalten werden kann. Wenn aufgrund eines Leistungsnetzausfalls, bei dem die Quellenspannung Vi ausfällt, die Gleichstrombusspannung über den Leitungen 58 und 59 entladen wird, wird die Diode 146 vorwärts leitend und die Batterie 146 versorgt die Last mit Leistung. Alle anderen Steuerfunktionen bleiben ähnlich denen der Schaltung der Fig. 11, wobei die Kapazität 140 durch eine Batterie ersetzt ist. Die Schaltung der Fig. 11 erlaubt die Verwendung einer kleineren Batterie, verringert die Menge der Batteriezyklen und ergibt eine optimale Batterieladeleistung.
Es ist klar, daß die Erfindung nicht auf die hier zur Darstellung dienenden besonderen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern jene modifizierten Formen derselben umfaßt, die in den Umfang der folgenden Ansprüche fallen.

Claims

1. Einphasige Wechselspannungsleistungs-Umsetzungsvorrichtung, die Leistung von einer Wechselspannungsleistungsquelle (21) mit einer bestimmten Frequenz und einem bestimmten Spannungspegel umsetzt, um an eine Last (22) Leistung zu liefern, mit:

(a) einem Paar von Gleichrichtervorrichtungen (48, 49), die an einem ersten Knoten (I) miteinander verbunden sind, wobei eine Gleichrichtervorrichtung (49) so angeschlossen ist, daß sie in Richtung zum Knoten leitend ist, und die andere Gleichrichtervorrichtung (48) so angeschlossen ist, daß sie in Richtung weg vom Knoten leitend ist;

(b) einem Paar von Kondensatoren (50, 51), die an einem zweiten Knoten (II) miteinander verbunden sind;

(c) einem Paar von steuerbaren Aus/Ein- Schaltvorrichtungen (53, 54), die an einem dritten Knoten (III) miteinander verbunden sind;

(d) einem Paar von Gleichstrombusleitungen (58, 59), die die Paare von Gleichrichtervorrichtungen (48, 49), von Kondensatoren (50, 51) und von Schaltvorrichtungen (53, 54) parallel miteinander verbinden; und

(e) einem Steuermittel (28) das die Schaltvorgänge der Schaltvorrichtungen steuert, wenn die Wechselspannungsleistungsquelle so angeschlossen ist, daß sie zwischen dem ersten Knoten (I) und dem zweiten Knoten (II) eine Wechselspannung anlegt; dadurch gekennzeichnet, daß:

das Steuermittel (28) so beschaffen ist, daß es die Schaltvorgänge der Schaltvorrichtungen in der Weise steuert, daß sich die Ausgangsspannung zwischen dem dritten Knoten und dem ersten Knoten, die die für die Last bereitgestellte Ausgangsspannung ist, von der durch die Wechselspannungsleistungsquelle bereitgestellten Eingangsspannung unterscheidet und die gleiche Frequenz wie die Spannung der Wechselspannungsleistungsquelle besitzt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Mittel (28), das die Schaltvorrichtungen steuert, eine erste der Schaltvorrichtungen (53, 54), die mit der während einer ersten Hälfte der Spannungswelle von der Quelle nicht leitenden Gleichrichtervorrichtung verbunden ist, einschaltet und die zweite der Schaltvorrichtungen während der ersten Hälfte der Spannungswelle von der Quelle ausschaltet und dann während der zweiten Hälfte der Eingangsspannungswelle die erste Schaltvorrichtung ausschaltet und die zweite Schaltvorrichtung einschaltet, so daß die an die Last angelegte Spitzen-Spitzen-Spannung gegenüber der Spitzen- Spitzen-Eingangsspannung von der Quelle im wesentlichen verdoppelt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der das Steuermittel einen Transformator (60) enthält, der so angeschlossen ist, daß er an seiner Primärwicklung (61) die Spannung von der Quelle empfängt, und zwei entgegengesetzt gepolte Sekundärwicklungen (63, 64) besitzt, wobei jede Sekundärwicklung so geschaltet ist, daß mit dem von ihr gelieferten Ausgang eine der Schaltvorrichtungen (53, 54) so gesteuert wird, daß während jedes Halbzyklus der Quellen-Eingangsspannungswelle eine der Schaltvorrichtungen eingeschaltet und die andere ausgeschaltet wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, die ferner ein Filter (36, 37) enthält, das zwischen den ersten und den dritten Knoten geschaltet ist, um die Ausgangsspannung zur Last einer Tiefpaßfilterung zu unterwerfen; und bei der das Steuermittel so beschaffen ist, daß es die Schaltvorrichtungen in der Weise steuert, daß die Ausgangsspannung zwischen dem dritten Knoten und dem ersten Knoten einen gewünschten Pegel besitzt, der im wesentlichen zwischen Null und der doppelten Spitzen-Spitzen-Eingangsspannung liegt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, die ferner eine Gleichspannungsenergie-Speichervorrichtung (140, 146) enthält, die über die Gleichspannungsbusleitungen geschaltet ist; und bei der das Steuermittel so beschaffen ist, daß es die Schaltvorrichtungen steuert, damit diese die von der Energiespeichervorrichtung bereitgestellte Gleichspannung invertieren, um der Last eine Wechselspannung zur Verfügung zu stellen, wenn die Wechselspannungsleistung von der Leistungsquelle ausfällt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5, die ein Überstromschutzmittel (70, 71, 72, 73, 75) enthält, das den an die Last gelieferten Strom erfaßt und die Schaltvorgänge der Schaltvorrichtungen beendet, um die Leistung zur Last zu unterbrechen, wenn der zur Last gelieferte Strom einen gewählten Wert übersteigt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der das Überstromschutzmittel einen gattergesteuerten statischen Schalter (75), der über die Primärwicklung (61) eines Transformators (60) geschaltet ist, der seinerseits mit seiner Sekundärwicklung (63) so angeschlossen ist, daß er Steuersignale liefert, die die Schaltvorrichtungen schalten, sowie einen Stromtransformator (70) und -gleichrichter (71) enthält, der so geschaltet ist, daß er den Strom in einer zur Last (22) führenden Ausgangsleitung (42) erfaßt und an das Gatter des statischen Schalters (75) ein Einschaltsignal liefert, wenn der Strompegel im Transformator (70) einen gewählten Maximalstrom übersteigt.

8. Vorrichtung nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Schaltvorrichtungen Bipolartransistoren sind, die durch an ihre Basen gelieferte Steuersignale gesteuert werden.

9. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Schaltvorrichtungen Feldeffekttransistoren sind, die durch an ihre Gates gelieferte Steuersignale gesteuert werden.

10. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei der das Filter aus einem zur Last parallelgeschalteten Kondensator (36) und einem mit der Last in Serie geschalteten Induktor (37) aufgebaut ist, um ein Tiefpaßfilter zu schaffen.

11. Vorrichtung nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, bei der das Steuermittel die Schaltvorrichtungen in der Art einer Impulsbreitenmodulation ein- und ausschaltet, um den an die Last angelegten Spannungspegel zu steuern.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der das Steuermittel ein Mittel (105) enthält, das die an die Last gelieferte Ausgangsspannung mit einer Referenzspannung vergleicht und die Schaltvorgänge der Schaltvorrichtungen in der Art einer Impulsbreitenmodulation steuert, um die Ausgangsspannung an die Referenzspannung anzugleichen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der das Steuermittel einen Sigma-Delta-Modulator (106, 107, 109) enthält, der die Impulsbreitenmodulationen schafft, durch die die Schaltvorrichtungen gesteuert werden.

14. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Energiespeichervorrichtung ein Kondensator (140) ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, die eine Gatter-Aus/Ein-Schaltvorrichtung (130, 131) enthält, die zu jeder Gleichrichtervorrichtung (48, 49) parallelgeschaltet ist, die so gesteuert werden kann, daß sie einschaltet, um den Energiespeicherkondensator (140) aufzuladen.

16. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Energiespeichervorrichtung eine Batterie (146) ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, die Mittel (48, 49, 130, 131, 149) enthält, die die Batterie (146) durch die von der Wechselspannungsleistungsquelle gelieferte Leistung aufladen.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der die Mittel zum Aufladen eine steuerbare Aus/Ein-Schaltvorrichtung (130, 131) enthalten, die mit jeder der Gleichrichtervorrichtungen parallelgeschaltet ist und so gesteuert werden kann, daß sie während des Normalbetriebs der Wechselspannungsleistungsquelle die Batterie mit der von der Wechselspannungsleistungsquelle gelieferten Leistung auflädt und von der Batterie zur Last eine vollbrückeninvertierte Leistung liefert, wenn die Leistung von der Leistungsquelle ausfällt.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, die einen gattergesteuerten, statischen Nebenleitungsschalter (134) enthält, der in einer Leitung zwischen die Leistungsquelle und einen der Knoten geschaltet ist, an den die Leistungsquelle angeschlossen ist, wobei der Nebenleitungsschalter (134) ausgeschaltet werden kann, um die Leistungsquelle vom Knoten abzukoppeln, wenn die Leistungsquelle ausfällt.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, die einen statischen Schalter (149) und eine Diode (150) enthält, die zueinander parallel und zwischen die Batterie und eine der Gleichspannungsbusleitungen geschaltet sind, um eine Steuerung der während des Aufladens zur Batterie gelieferten Leistung zu ermöglichen.