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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermeidung von Schaltverlusten in Umrichtern, wie sie in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 8 beschrieben sind.
Es sind Entlastungsschaltungen, die ein stromloses Schalten von Hauptschaltern ermöglichen, aus dem Stand der Technik bekannt, wie z. B. die Löschschaltungen nach McMurray. Verlustarme Entlastungsschaltungen für derartige Halbbrücken sind sehr aufwendig und benötigen meist Rückspeisenetzteile und Anfahrschaltungen.
Sie produzieren ausserdem Eigenverluste. Sie ermöglichen zwar aufgrund der Entlastungswirkungen eine höhere Schaltfrequenz der Hauptschalter und damit eine Senkung der vom Umrichter erzeugten Störungen, jedoch ermöglichen sie keine wesentliche Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren oder eine Vorrichtung zur Vermeidung von Schaltverlusten in Umrichtern zu schaffen, die ein stromloses Ausschalten des Leistungsschalters ermöglichen und mit welchem gegebenenfalls auch eine Rückspeisung der Überschussenergie in die Spannungsquelle erzielt werden kann.
Diese Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruches l gelöst. Vorteilhaft ist bei dieser Lösung, dass ohne kompliziert aufgebaute Rückspeisenetzteile die Überschussenergie wieder in die Spannungsquelle rückgespeist werden kann. Dazu kommt, dass bei diesem Verfahren keine Anfahrschaltungen benötigt werden. Aufgrund der sinusförmigen Stromverläufe und der linearen Spannungsverläufe während der Schaltvorgänge erzeugt ein so entlasteter Umrichter wesentlich weniger Störungen. Darüber hinaus haben die Hilfsschalter nur mehr den Magnetisierungsstrom des Transformators abzuschalten und können wie die anderen Bauelemente für sehr kleine Strombeanspruchungen ausgelegt werden.
Dazu
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weiterer überraschender und nicht vorherzusehender Vorteil liegt darin, dass die Entlastungswirkung mit steigender Belastung, d. h. steigendem Laststrom zunimmt und der Gesamtwirkungsgrad deutlich verbessert wird. Darüber hinaus ist auch eine kleinere Bauweise bei der Benutzung des erfindungsgemässen Verfahrens bzw. der Vorrichtung möglich, da mit kleineren Leistungsschaltungen und Kühlkörpern das Auslangen gefunden werden kann.
Vorteilhaft ist auch ein Vorgehen nach Anspruch 2. Dadurch wird erreicht, dass durch Umladen des Kondensators der Strom im Resonanzkreis den Laststrom übersteigt, wodurch eine Freilaufdiode leitend wird und somit der Hauptschalter stromlos und ohne Verlust abgeschaltet werden kann, oder dann, wenn der Laststrom den durch den Resonanzkreis fliessenden Strom übersteigt, nur die Differenz zwischen diesen beiden Krümmern während des Schaltvorganges über den Hauptschalter fliesst und damit eine wesentlich geringere Belastung des Hauptschalters erreicht wird, als wenn der Hauptschalter unter der vollen Strombelastung geschaltet werden muss.
Es ist aber auch ein Vorgehen nach Anspruch 3 möglich, wodurch der Strom für die Hilfshalbbrücke aufgeteilt und die Strombelastung der Hilfsschalter der Hilfshalbbrücke gering ist, da der Hilfsschalter nur mehr mit dem Reststrom der im Übertrager gespeicherten Restenergie belastet ist.
Vorteilhaft sind aber auch die Massnahmen nach Anspruch 4, da die in der Induktivität gespeicherte Energie an die Spannungsquelle zurückgeführt wird, ohne dass dabei ein Rückspeisenetzteil in der Schaltvorrichtung eingebaut werden muss.
Darüber hinaus wird durch diese Vorgehensweise auch eine Überladung des Kondensators verhindert.
Durch die Massnahmen nach Anspruch 5 wird ermöglicht, dass die Spannung an den Hauptschaltern nach deren Abschaltung linear ansteigt, wodurch wesentlich geringere Spannungsspitzen an den Hauptschaltern auftreten und diese daher für eine geringere Spannungsbelastung ausgelegt werden können. Weiters wird durch den verlangsamten Spannungsanstieg eine noch bessere Ausschaltentlastung erreicht, da von den Hauptschaltern eine geringere Verlustleistung abgeführt werden muss, wodurch die Lebensdauer der Hauptschalter erheblich verlängert wird.
Weiters ist aber auch ein Verfahrensablauf nach Anspruch 6 möglich. Dies ermög-
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licht mit Vorteil eine Rückführung der im Übertrager gespeicherten Energie an die Spannungsquelle ohne die Verwendung eines komplizierten Rückspeisenetzteils.
Bei der Anwendung der Massnahmen nach Anspruch 7 wird erreicht, dass durch das Vorbeiführen des Stroms an den Hauptschaltern diese stromlos oder dann, wenn der Laststrom den im Resonanzkreis fliessenden Strom übersteigt nur unter geringer Strombelastung, nämlich der Differenz zwischen dem Laststrom und dem durch den Resonanzkreis fliessenden Strom verlustarm abgeschaltet werden.
Die Erfindung umfasst weiters auch eine Vorrichtung zur Vermeidung von Schaltverlusten in Umrichtern, wie sie im Oberbegriff des Anspruches 8 beschrieben ist.
Diese Vorrichtung ist durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruches 8 gekennzeichnet. Vorteilhaft ist bei dieser Ausführung, dass mit relativ wenigen Bauteilen ein stromloses Schalten in der Halbbrücke erreicht, gleichzeitig eine Rückführung der Überschussenergie in die Spannungsquelle mit einfachen Mitteln ermöglicht wird und zusätzlich keine Einschaltverluste auftreten, wenn ein Hauptschalter zu einem Zeitpunkt einschaltet, zu dem die Freilaufdiode des anderen Hauptschalters Strom führt.
Durch die Ausgestaltung nach Anspruch 9 wird erreicht, dass nach dem Schliessen des Hauptschalters der Strom erst langsam ansteigen kann, wodurch Einschaltverluste vermieden werden.
Vorteilhaft ist aber auch die Verwendung von Bauteilen gemäss Anspruch 10, die eine schnellere Schaltfrequenz bei höherer Lebensdauer der Hauptschalter ermöglichen.
Eine kostengünstige Lösung mit hoher Lebensdauer kann auch durch die Ausgestaltung nach den Ansprüchen 11 und 12 erreicht werden.
Die Erfindung wird im nachfolgenden anhand der in den Zeichnungen darges Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen :
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Fig. 1 ein Schaltschema einer erfindungsgemässen Schaltvorrichtung zur Erzeu- gung von positiven und/oder negativen Spannungsimpulsen ; Fig. 2 ein Diagramm bei dem der Kondensatorstrom über der Kondensatorspan- nung des Kondensators einer erfindungsgemässen Schaltvorrichtung nach
Fig. 1 aufgetragen ist ; Fig. 3 zeigt einen DC-DC Vollbrücken-Konverter in schematischer Darstellung dessen Halbbrücken mit der erfindungsgemässen Schaltvorrichtung ausgestattet sind ; Fig. 4 eine weitere Ausbildung der erfindungsgemässen Schaltvorrichtung zur
Erzeugung von positiven und/oder negativen Spannungsimpulsen ; Fig. 5 ein Diagramm bei dem der Kondensatorstrom über der Kondensatorspan- nung des Kondensators einer erfindungsgemässen Schaltvorrichtung nach
Fig. 5 aufgetragen ist.
In den Fig. 1 und 2 ist eine Schaltvorrichtung l gezeigt, die als Umrichter 2, z. B. im Ausführungsbeispiel ein pulsweitenmodulierter Tiefsetzteller wirkt. Die Schaltvorrichtung 1 ist über Anschlussklemmen 3,4 mit einer Spannungsquelle 5 verbunden und über eine Leitung 6 mit der positiven Zwischenkreisspannung und über eine Leitung 7 mit der negativen Zwischenkreisspannung versorgt. Versorgungsleitung 8 und 9 verteilen die von der Spannungsquelle 5 gelieferte Zwischenkreisspannung innerhalb der Schaltvorrichtung.
Die Schaltvorrichtung 1 weist eine Halbbrücke 10 auf, die aus einem Hauptschalter 11 und einer antiparallel geschalteten Freilaufdiode 12 und einem weiteren Hauptschalter 13 mit einer weiteren antiparallel geschalteten Freilaufdiode 14 gebildet ist.
Der Ausgang des Hauptschalters 11 ist über eine Leitung 15 mit dem Eingang des Hauptschalters 13 verbunden. Der Eingang des Hauptschalters 11 wird über eine Leitung 16 mit der Versorgungsleitung 8 und der Ausgang des Hauptschalters 13 über eine Leitung 17 mit der Versorgungsleitung 9 verbunden.
Zwischen den Hauptschaltern 11 und 13 ist eine insbes. induktive Last 18, z. B. ein Motor, ein Schweissaggregat, ein Kompressor oder dgl. über eine Leitung 19 ange-
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schlossen. An den Anschlusspunkt der Leitung 19 an der Leitung 15 wird ein Brückenmittelpunkt 20 gebildet. Die Last 18 weist üblicherweise eine ausreichend grosse Induktivität auf, bzw. ist diese zugeschaltet, sodass bei der Funktionsbeschreibung der Schaltvorrichtung 1 der Laststrom während einer Periodendauer der Schaltfrequenz bzw. eines Schaltzyklus konstant angenommen werden kann.
Parallel zur Halbbrücke 10 ist eine Entlastungsschaltung 21 angeordnet. In der Entlastungsschaltung 21 sind jedem Hauptschalter 11 und 13 Hilfsschalter 22 und 23 zugeordnet, die wiederum über eine Leitung 24 miteinander verbunden sind. Den Hilfsschaltern 22,23 ist ebenfalls eine antiparallel geschaltete Freilaufdiode 25,26 zugeordnet. Dabei bilden die Hilfsschalter 22,23 mit ihren antiparall geschalteten Freilaufdioden 25,26 eine weitere Hilfshalbbrücke 27, die wiederum einen Brückenmittelpunkt 28 aufweist. Der Hilfsschalter 22 ist über eine Leitung 29 mit der Versorgungsleitung 8 und der Hilfsschalter 23 über eine Leitung 30 mit der Versorgungsleitung 9 verbunden.
Zwischen dem Brückenmittelpunkt 20 der Halbbrücke 10 und dem Brückenmittelpunkt 28 der Hilfshalbbrücke 27 ist in einer Leitung 31 ein Resonanzkreis 32, der sich aus einem Kondensator 33 und einer Induktivität 34 zusammensetzt, sowie ein erster Teil 35 eines Übertragers 36 zwischengeschaltet. Zwischen dem Kondensator 33 und der Induktivität 34 sind Klemmdioden 37 und 38 über eine Leitung 39 an der Leitung 31 angeschlossen. Die Klemmdiode 37 wird von ihrer Kathode über eine Leitung 40 mit der Versorgungsleitung 8 und die Anode der Klemmdiode 38 über eine Leitung 41 mit der Versorgungsleitung 9 verbunden. Durch die Anordnung der Klemmdioden 37,38 wird an dem Verbindungspunkt zwischen den Leitungen 31 und 39 ein weiterer Brückenmittelpunkt 42 geschaffen.
Parallel zu der Hilfshalbbrücke 27 sind weitere Klemmdioden 43 und 44 angeordnet. Dabei ist die Kathode der Klemmdiode 43 mit der Versorgungsleitung 8 und die Anode der Klemmdiode 44 mit der Versorgungsleitung 9 verbunden. Die Klemmdioden 43,44 sind über eine Leitung 45 miteinander verbunden und bilden einen weiteren Brückenmittelpunkt 46. Zwischen dem Brückenmittelpunkt 28 der Hilfshalbbrücke 27 und dem Brückenmittelpunkt 46 der Klemmdiode 43,44 ist ein zweiter Teil 47 des Übertragers 36 in einer Leitung 48 zwischengeschaltet. Der zweite Teil 47 des Übertragers 36 weist gegenüber dem ersten Teil 35 des Übertragers 36 mehr, z. B. doppelt so viele Windungen auf.
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Die Schaltvorrichtung 1 weist weiters eine Strommessvorrichtung 49, der zwischen der Versorgungsleitung 8 und der Last 18 in eine Leitung 50 angeordnet ist, auf.
Der Ausgang der Strommessvorrichtung 49 wird an einen Regler 51 angeschlossen.
Der Regler 51 ist wiederum mit einer Steuervorrichtung 52 verbunden. Die Steuervorrichtung 52 steuert über Leitungen die Hauptschalter 11,13 und die Hilfsschalter 22,23 an.
Der Umrichter 2 besteht aus der Spannungsquelle 5, der Halbbrücke 10 und der Last 18. Die Funktion des Umrichter 2 mit der Entlastungsschaltung 21 wird in aufeinanderfolgenden Zeitabschnitten wie in Fig. 2 gezeigt beschrieben.
Dabei ist in Fig. 2 ein U-ZI-Diagramm dargestellt, dessen Ordinate ZI ist, wobei Z der Scheinwiderstand des Resonanzkreises 32 und I der Strom durch die Induktivität ist und auf der Abzsisse die Kondensatorspannung U des Kondensators 33 aufgetragen ist. Die aufeinanderfolgenden Punkte einer in Pfeilrichtung durchlaufenden Kennlinie 53 beschreiben somit die aufeinanderfolgenden Zustände im Resonanzkreis 32.
Die Inbetriebnahme der Schaltvorrichtung 1 erfolgt durch das Anlegen einer Zwischenkreisspannung 54 aus der Spannungsquelle 5, wobei sich während des Spannungsaufbaus der Kondensator 33 nicht auflädt. Nach Ablauf des Spannungsaufbaues wird davon ausgegangen, dass ein konstanter Laststrom durch die Last 18 fliesst und der Kondensator 33 gemäss Pfeil 55 auf die negative Zwischenkreisspannung 54, in Fig. 2 ersichtlich und durch einen Pfeil 55 in Fig. 1 dargestellt, aufgeladen ist, wie dies in einem Zustand 56 in Fig. 2 ersichtlich ist, wobei das Aufladen des Kondensators 33 nachfolgend in der Funktionsbeschreibung der Schaltvorrichtung 1 noch näher erläutert werden wird. Weiters wird davon ausgegangen, dass der Hauptschalter 13 bereits eingeschaltet ist und der konstante Laststrom von der Last 18 über den Hauptschalter 13 an die Versorgungsleitung 9 fliesst.
Um den Hauptschalter 13 verlustarm abzuschalten, wird zu einem Zustand 56 der Hilfsschalter 23 eingeschaltet, wodurch sich der gemäss Pfeil 55 geladene Kondensator 33 entlädt. Dadurch fliesst der Strom, der zuvor über das Schaltglied 13 an die Versorgungsleitung 9 geflossen ist, nun zum Teil über den Kondensator 33 der Induktivität 34 den ersten Teil 35 des Übertragers 36 an den Hilfsschalter 23 und von diesem an die Versorgungsleitung 9 zurück. Aufgrund der Strombeaufschlagung des ersten Teils 35 des Übertragers 36 wird ein Strom auf den zweiten Teil 47
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des Übertragers transformiert. Da der zweite Teil 47 des Übertragers 36 mit einer höheren, insbes. der doppelten Windungszahl gegenüber dem ersten Teil 35 des Übertragers 36 ausgestattet ist, wird der Strom, der in den ersten Teil 35 des Übertragers 36 hineinfliesst, geteilt, z.
B. halbiert, d. h. der hineinfliessende Strom fliesst zur Hälfte über den Hilfsschalter 23 an die Versorgungsleitung 9 und die andere Hälfte über den zweiten Teil 47 des Übertragers 36 und über die Klemmdiode 43 an die Versorgungsleitung 8 zurück. Da über den zweiten Teil 47 des Übertragers 36 ein Stromfluss aufgebaut wird, wird die Klemmdiode 43 in Durchlaufrichtung leitend, wodurch der Strom an die Versorgungsleitung 8 fliessen kann.
Aufgrund der leitenden Klemmdiode 43 und dem eingeschalteten Hilfsschalter 23 liegt am zweiten Teil 47 des Übertragers 36 die Zwischenkreisspannung in positiver Richtung an. Da der Übertrager 36 aus zwei Teilen 35,47 besteht wird die an dem zweiten Teil 47 anliegende Zwischenkreisspannung 54 auf den ersten Teil 35 des Übertragers 36 transformiert und beträgt einen Teil bevorzugt die halbe Zwischenkreisspannung 54, in positiver Richtung.
Am Resonanzkreis 32 liegt weiterhin die negative Zwischenkreisspannung 54 gemäss Pfeil 55 an, wodurch sich der Kondensator 33 über einen Mittelpunkt 57, d. h. um die halbe negative Zwischenkreisspannung 54 entlädt. Aufgrund dieser ab dem Zustand 56 am ersten Teil 35 des Übertragers 36 anliegende Spannung, mit den ebenso der Resonanzkreis 32 beaufschlagt ist, beginnt die Entladung des Kondensators 33 ab dem Mittelpunkt 57 der in Fig. 2 dargestellt ist und der der halben negativen Zwischenkreisspannung 54 entspricht. Dabei beschreibt die Entladungskurve des Kondensators 33 einen Kreisbogen, der in Fig. 2 auf der Kennlinie 53 zwischen dem Zustand 56 und einem Zustand 58 ersichtlich ist.
Das Zentrum des Kreisbogens zur Entladung des Kondensators 33 befindet sich im Mittelpunkt 57, d. h. auf der negativen halben Zwischenkreisspannung 54.
In einem Zustand 59 ist aus der Kennlinie 53 ersichtlich, dass der Strom im Resonanzkreis 32 einen Laststrom 60 der Last 18 übersteigt, wodurch der Hauptschalter 13 zwischen den Zuständen 59 und 58 stromlos ist und abgeschalten werden kann.
Da der Strom im Resonanzkreis 32 grösser ist als der Laststrom 60 wird die Freilaufdiode 14 am Hauptschalter 13 leitend, wodurch der Laststrom 60 von der Last 18 über den Resonanzkreis 32 den ersten Teil 35 des Übertragers 36 über den Hilfsschalter 23 an die Versorgungsleitung 9 fliesst. Von der Versorgungsleitung 9 fliesst nun der Strom über die Freilaufdiode 14 zum Resonanzkreis 32 zurück.
Durch das
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Durchschalten der Freilaufdiode 14 kann kein Strom mehr über den Hauptschalter 13 fliessen, wodurch dieser zwischen dem Zustand 59 und 58 stromlos abgeschaltet werden kann. Übersteigt beispielsweise der mit strichpunktierten Linien eingezeichnete Laststrom 60 den Strom im Resonanzkreis 32, so ist zwischen den Zuständen 59 und 58 der über den Hauptschalter 13 fliessende Strom sehr gering und entspricht der Differenz zwischen dem Laststrom und dem Strom im Resonanzkreis 32. Somit wird auch die Belastung des Hauptschalters 13 in diesem Fall äusserst gering gehalten und kann die vorteilhafte erfindungsgemässe Wirkung auch in diesem Fall genutzt werden.
Ist die Entladungskurve des Kondensators 33 so weit vorgeschritten, dass der Stromfluss im Zwischenkreis wieder dem Laststrom 60 entspricht - dies tritt im Zustand 58 ein-versucht der Strom von der Last 18 wieder über den Hauptschalter 13 zu flie- ssen. Da zum Zustand 58 der Hauptschalter 13 bereits abgeschaltet ist, fliesst der konstante Laststrom 60 nun über den Resonanzkreis 32 und über den ersten Teil 35 des Übertragers 36 der den Strom in zwei Hälften aufteilt, wobei eine Hälfte über das Hilfsschaltglied 23 an die Versorgungsleitung 9 und die weitere Hälfte über den zweiten Teil 47 des Übertragers 36 und über die Klemmdiode 43 an die Versorgungsleitung 8 zurückfliesst.
Durch das Durchfliessen des Resonanzkreises 32 vom konstanten Laststrom 60 bricht die Spannung über der Induktivität 34 zusammen und die Spannung am Brükkenmittelpunkt 20 steigt sprunghaft auf den Wert der halben Zwischenkreisspannung plus der Kondensatorspannung des Kondensators 33 beim Zustand 58 an. Aus dem U-ZI-Diagramm in Fig. 1 ist zu erkennen, dass die Spannung des Kondensators 33 am Zustand 58 grösser Null ist und dass bei steigendem Laststrom 60 diese Spannung kleiner wird. Die Spannung am Hauptschalter 13 springt daher maximal auf die halbe Zwischenkreisspannung. Der Kondensator 33 wird mit dem konstanten Laststrom 60 geladen.
Im Zustand 61 wird nun der Hauptschalter 11 verlustarm eingeschaltet. Das verlustarme Einschalten des Hauptschalters 11 erfolgt dadurch, dass über den Hauptschalter 13 und die Freilaufdiode 14 bereits eine Spannung ansteht und daher die volle Sperrfähigkeit des Hauptschalters 13 und der Freilaufdiode 14 erreicht ist. Durch das Einschalten des Hauptschalters 11 wird nun am Brückenmittelpunkt 20 die halbe Zwischenkreisspannung gemäss Pfeil 62 in positiver Richtung des Kondensators 33 an den Resonanzkreis 32 angelegt, wodurch ein neuerlicher Schwingvorgang im Reso-
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nanzkreis 32 entsteht. Diese Schwingung im Resonanzkreis 32 beschreibt die Kennlinie 53 zwischen dem Zuständen 61 und 63.
Dabei ist wiederum ersichtlich, dass der neuerliche Schwingvorgang im Resonanzkreis 32 den Kondensator 33 in einem Kreisbogen um die halbe positive Zwischenkreisspannung 64 ladet. Ist der Zustand 63 erreicht, so ist der Kondensator 33 auf eine volle positive Zwischenkreisspannung 65 umgeladen.
Am Zustand 63 ist der Strom im Resonanzkreis 32 bereits sehr gering und die Klemmdiode 38 beginnt zu leiten, da ansonsten der Kondensator 33 überladen würde. Weiters wird die Freilaufdiode 12 leitend und übernimmt den vollständigen Laststrom 60 der Last 18, wodurch durch den Kondensator 33 kein Strom mehr fliessen kann und der Kondensator 33 auf der positiven Zwischenkreisspannung 65 geladen bleibt.
Die in der Induktivität 34 des Resonanzkreises 32 enthaltene Energie wird nun vom Zustand 63 bis zu einem Zustand 66 an die Spannungsquelle 5 zurückgespeist. Dabei fliesst der Strom von der Induktivität 34 in den ersten Teil 35 des Übertragers 36, der diesen in zwei Teile aufteilt, wobei ein Teil über den Hilfsschalter 23 an die Versorgungsleitung 9 und ein weiterer Teil über den zweiten Teil 47 des Übertragers 36 und der Klemmdiode 43 an die Versorgungsleitung 8 zurückfliesst. Der Hilfsschalter 23 wird nun abgeschaltet, wobei dieser nur mehr den Magnetisierungsstrom des Übertragers 36 abschalten muss. Die Energie, die im Übertrager 36 vorhanden ist, wird nun über die Freilaufdiode 25 und die Versorgungsleitung 8 in die Spannungsquelle 5 zurück geliefert.
Im Zustand 66 wird der Löschvorgang für den Hauptschalter 11 eingeleitet, d. h. der Hilfsschalter 22 wird eingeschaltet. Dabei wird ein neuerliches Entladen des Kondensators 33 hervorgerufen.
Durch das Einschalten des Hilfsschalters 22 beginnt die Klemmdiode 44 zu leiten, wodurch die negative Zwischenkreisspannung am zweiten Teil 47 des Übertragers 36 angelegt wird. Dabei wird nun die halbe negative Zwischenkreisspannung an den ersten Teil 35 des Übertragers 36 übertragen, da sich der Brückenmittelpunkt 28 nun auf positiver Zwischenkreisspannung 65 befindet, liegt am Resonanzkreis 32 wiederum die halbe positive Zwischenkreisspannung 64 an. Der Mittelpunkt des Kreisbogens im U-ZI-Diagramm, die diese Schwingung beschreibt, ist daher wieder-
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um gleich der halben positiven Zwischenkreisspannung 64. Der Resonanzkreis 32 schwingt daher vom Zustand 66 in einen Zustand 67. Bei einem Zustand 68 der Kennlinie 53 wird der Hauptschalter 11 von der Steuervorrichtung 52 augeschaltet.
Ist der Zustand 67 erreicht, wird der Hauptschalter 13 von der Steuervorrichtung 52 eingeschaltet. Nach Einschalten des Hauptschalters 13 wird der Kondensator 33 wieder auf die negative Zwischenkreisspannung, um den Mittelpunkt 57, geladen.
Der Resonanzkreis 32 schwingt vom Zustand 67 in den Zustand 56 um den Mittel- punkt 57.
Nach Erreichen des Zustandes 56 ist der Kondensator 33 wieder auf die volle negative Zwischenkreisspannung 54 aufgeladen und der Hilfsschalter 22 wird von der Steuervorrichtung 52 abgeschaltet, wodurch der Ausgangszustand für die Abschaltung vom Hauptschalter 13 wieder erreicht ist.
Durch das Tastverhältnis der Einschaltzeiten zwischen dem Hauptschalter 13 und dem Hauptschalter 11 kann der Laststrom 60 an der Last 18 eingestellt werden. Dabei wird der Laststrom 60 von der Strommessvorrichtung 49 erfasst und dem Regler 51 zugeführt. Am Regler 51 kann nun ein bestimmter Stromwert eingestellt werden.
Der Laststrom 60 wird dann mit dem eingestellten Strom verglichen und das Ergebnis, ob der Laststrom 60 erhöht oder gesenkt werden muss, der Steuervorrichtung 52 übergeben. Die Steuervorrichtung 52 errechnet sich daraus das entsprechende Tastverhältnis zwischen dem Hauptschalter 13 und 11 und steuert dies und die Hilfsschalter 22 und 23 über Leitungen an.
Um die bei der Inbetriebnahme der Schaltvorrichtung 1 angenommene Werte, d. h. die Aufladung des Kondensators 33 auf die negative Zwischenkreisspannung 54 und einen Laststrom 60 zu erhalten, wird der Schaltzustand vom Zustand 56 bis 67 vollzogen, wobei zuerst der Hauptschalter 13 eingeschaltet wird und anschliessend der Hilfsschalter 22. Durch das Einschalten des Hauptschalters 13 entsteht ein Stromfluss von der Versorgungsleitung 8 über die Last 18 und den Hauptschalter 13 an die Versorgungsleitung 9.
In Fig. 3 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Schaltvorrichtung 1 gezeigt. Dabei sind zwei Halbbrücken 69, 70 zu einer Vollbrücke 71 zusammengeschaltet, wobei die Halbbrücken 69, 70 der Halbbrücke 10 entsprechen.
Die Versorgung der zwei Halbbrücken 69, 70 erfolgt wiederum über eine Spannungsquelle 5, die die zwei Halbbrücken 69, 70 über die Versorgungsleitung 8 und 9 mit
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dem positiven und negativen Potential versorgt. Die zwei Halbbrücken 69, 70 sind mit jeweils einer Entlastungsschaltung 21 versehen.
An den Brückenmittelpunkt 20 der Halbbrücken 69, 70 werden die zwei Halbbrükken 69, 70 über eine Leitung 72, unter Zwischenschaltung der Primärseite eines Wandlers 73, verbunden. Die Verbindung der Halbbrücken 69, 70 über die Leitung 72 entspricht der Anordnung der Last 18 in Fig. 1.
Die Sekundärseite des Wandlers 73 wird durch drei Anschlusspunkte 74, 75 und 76 gebildet. Die Anschlusspunkte 74, 76 sind über eine Leitung 77 unter Zwischenschaltung von Dioden 78, 79 zusammengeschaltet. Die Dioden 78, 79 bilden dabei einen Gleichrichter 80, der über eine Leitung 81 unter Zwischenschaltung einer Induktivität 82 eine Last 83 mit dem positiven Potential versorgt. Die Last 83 wird über eine Leitung 84 mit dem Anschlusspunkt 75 verbunden und dabei mit dem negativen Potential versorgt.
Die in den Halbbrücken 69, 70 dargestellten Hauptschalter 11, 13 werden über Leitungen 85 bis 88 von der Steuervorrichtung 52 angesteuert. Die in Fig. 1 dargestellte Entlastungsschaltung 21 wird in Fig. 2 schematisch als Block dargestellt. Die in der Entlastungsschaltung 21 angeordneten Hilfsschalter 22, 23 werden ebenfalls von der Steuervorrichtung 52 über Leitungen angesteuert, die jedoch der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind.
Die Funktion der einzelnen Halbbrücken 69, 70 wird nicht mehr beschrieben, da sie der Funktionsbeschreibung des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels entspricht.
Durch ein gegenpoliges Einschalten der Hauptschalter 11, 13 in den Halbbrücken 69, 70 von der Steuervorrichtung 52 kann der Stromverlauf in seiner Richtung geändert werden. Dies geschieht dadurch, dass die Steuervorrichtung 52 über die Leitung 88 den Hauptschalter 13 der Halbbrücke 69 und über die Leitung 86 den weiteren Hauptschalter 11 der Halbbrücke 70 einschaltet, wodurch sich ein Stromverlauf von der Versorgungsleitung 8 über den Hauptschalter 11 der Halbbrücke 70 über die Leitung 72, den Hauptschalter 13 der Halbbrücke 69 weiter an die Versorgungsleitung 9 ergibt. Durch das Durchfliessen des Stromes durch die Primärseite des Wandlers 73 wird ein Strom auf die Sekundärseite des Wandlers 73 induziert und über den Gleichrichter 80 gleichgerichtet und der Last 83 über die Leitungen 81, 84 zugeführt.
Werden nun der Hauptschalter 13 der Halbbrücke 69 und der Hauptschalter
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11 der Halbbrücke 70 abgeschaltet, so steuert die Steuervorrichtung 52, die in der Entlastungsschaltung 21 angeordneten Hilfsschalter 22 und 23 an, wie dies in Fig. 1 beschrieben ist. Nach dem stromlosen Abschalten des Hauptschalters 13 der Halbbrücke 69 und des Hauptschalters 11 der Halbbrücke 70 werden, wie in Fig. 1 beschrieben, die Hauptschalter 13 der Halbbrücke 70 und der Hauptschalter 11 der Halbbrücke 69 von der Steuervorrichtung 52 über die Leitungen 85, 87 eingeschaltet, wodurch sich ein neuerlicher Stromverlauf ergibt.
Der neu ergebene Stromverlauf erfolgt nun von der Versorgungsleitung 8 über den Hauptschalter 11 der Leitung 72 den Hauptschalter 13 der Halbbrücke 70 an das negative Potential der Versorgungsleitung 9, wodurch sich die Richtung des Stromverlaufes in der Leitung 72 ändert und im U-ZI-Diagramm in Fig. 2 dargestellte Stromverlauf vom Zustand 56 bis zum Zustand 66 im U-ZI-Diagramm durch Spiegelung am Nullpunkt dieselbe Kurve von dem Zustand 66 bis zum Zustand 56 über das stromlose Abschalten der einzelnen Halbbrücken 69 und 70 ergibt.
In Fig. 4 und 5 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Schaltvorrichtung l gezeigt, wobei wiederum für gleiche Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet wurden. Der Unterschied zu der in Fig. l dargestellten Schaltvorrichtung l liegt darin, dass in den Leitungen 16 und 17 jeweils eine Induktivität 89, 90 angeordnet ist. In Fig. 5 ist ein U-ZI-Diagramm dargestellt, auf dessen Ordinate ZI und auf der Abszisse die Kondensatorspannung des Kondensators U aufgetragen ist.
Die Inbetriebnahme der Schaltvorrichtung l erfolgt durch das Anlegen einer Zwischenkreisspannung aus der Spannungsquelle 5, wobei sich während des Spannungsaufbaus der Kondensator 33 nicht auflädt. Nach Ablauf des Spannungsaufbaus wird davon ausgegangen, dass ein konstanter Laststrom 60 durch die Last 18 fliesst und der Kondensator 33, gemäss Pfeil 55 auf die negative Zwischenkreisspannung 54 aufgeladen ist, wobei das Aufladen des Kondensators 33 auf die negative Zwischenkreisspannung 54 nach der Funktionsbeschreibung der Schaltvorrichtung 1 näher erläutert wird. Der Resonanzkreis 32 befindet sich um Zustand 91 einer Kennlinie 92 in Fig. 5. Weiters wird davon ausgegangen, dass der Hauptschalter 13 bereits eingeschaltet ist und der konstante Laststrom 60 von der Last 18 über den Hauptschalter 13 an die Versorgungsleitung 9 fliesst.
Um den Hauptschalter 13 verlustarm abzuschalten wird der Hilfsschalter 23 eingeschaltet, worauf sich der Kondensator 33 über die Induktivitäten 90, 34 in einer Schwingung entladen wird. Durch das Einschalten des Hilfsschalters 23 fliesst der
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Laststrom 60, der zuvor von der Last 18 über den Hauptschalter 13 an die Versorgungsleitung 9 geflossen ist, nun zum Teil über den Kondensator 33 der Induktivität 34, den ersten Teil 35 des Übertragers 36 durch den Hilfsschalter 23 und von diesen an die Versorgungsleitung 9 zurück. Der Startpunkt der Schwingung, ist der am Zustand 91 im Resonanzkreis 32 herrschende Zustand, d. h., dass der Kondensator 33 auf die negative Zwischenkreisspannung 54 aufgeladen ist.
Aufgrund der ab dem Zustand 91 am Resonanzkreis 32 liegende Spannung, wird über dem Mittelpunkt 57 des im U-ZI-Diagramm wie aus der in Fig. 5 dargesellten Kennlinie 92 ersichtlich, eines die Schwingung beschreibenden Kreises des Entladens des Kondensators 33 von dem Zustand 91 bis zu zu einem Zustand 93 vollstreckt.
Da sich der Brückenmittelpunkt 20 hier zwischen zwei Teilen der Induktivitäten 34, 90 befindet, nimmt der Brückenmittelpunkt 20 am Zustand 91 gegenüber der Versorgungsleitung 9 das negative Potential an. Am Zustand 94 übersteigt der Strom im Resonanzkreis 32 den Laststrom 60 der Last 18, wodurch der Hauptschalter 13 zwischen den Zuständen 91 und 93 stromlos abgeschaltet werden kann. Da der Strom im Resonanzkreis 32 grösser ist als der Laststrom 60 wird die Freilaufdiode 14 am Hauptschalter 13 leitend, wodurch der Laststrom 60 von der Last 18 über den Resonanzkreis 32 den ersten Teil 35 des Übertragers 36 über den Hilfsschalters 23 an die Versorgungsleitung 9 fliesst. Von der Versorgungsleitung 9 fliesst nun der Strom über die Freilaufdiode 14 zum Resonanzkreis 32 zurück.
Durch das Durchschalten der Freilaufdiode 14 fliesst kein Strom mehr über den Hauptschalter 13, wodurch dieser zwischen den Zuständen 91 und 93 stromlos abgeschaltet werden kann. Die Steuervorrichtung 52 schaltet also am Zustand 95 den Hauptschalter 13 stromlos ab.
Im Zustand 93 erreicht der Strom im Resonanzkreis 32 wieder die Grösse des Laststroms 60, wodurch der Laststrom 60 wieder über den Hauptschalter 13 fliessen möchte. Da jedoch im Zustand 95 der Hauptschalter 13 stromlos abgeschaltet wurde, fliesst der konstante Laststrom 60 durch den Resonanzkreis 32, wodurch die Spannung am Brückenmittelpunkt 20 linear auf den Wert der halben positiven Zwi- schenkreisspannung 64 plus der Kondensatorspannung, die im Zustand 93 am Kondensator 33 des Resonanzkreises 32 anliegt, und wird jetzt mit dem konstanten Laststrom 60 geladen, wodurch die Spannung am Hauptschalter 13 und damit das Potential am Brückenmittelpunkt 20 linear ansteigt, da die Induktivität 90 stromlos ist.
Im Zustand 96 wird der Hauptschalter 11, wie bereits in Fig. 1 beschrieben verlustarm eingeschaltet. Durch das Einschalten des Hauptschalters 11 wird nun die halbe
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positive Zwischenkreispannung, gemäss Pfeil 62 an den Resonanzkreis 32 über den Übertager 36 angelegt, wodurch der Resonanzkreis 32 nun aus der Induktivität 34, dem Kondensator 33 und der Induktivität 89 besteht. Durch das Einschalten des Hauptschalters 11 wird ein neuerlicher Schwingvorgang am Resonanzkreis 32 gestartet. Diese Schwingung beschreibt den im Zustand 96 beginnenden Kreisbogen im U-ZI-Diagramm in Fig. 5 mit dem Mittelpunkt der halben Zwischenkreispannung 64. Der Radius dieses Kreises des neuen Schwingvorganges hängt vom Einschaltzeitpunkt des Hauptschalters 11 ab, bzw. vom Zustand 96 oder 100 indem sich der Resonanzkreis 32 zum Einschaltzeitpunkt befindet.
Wird der Hauptschalter 11 im Zustand 96 eingeschaltet, so endet die Schwingung, wie in Fig. 1 beschrieben in einem Zustand 97. Die in der Induktivität 34 des Resonanzkreises 32 enthaltenen Energie wird nun vom Zustand 97 bis zu einem Zustand 98 an die Spannungsquelle 5 zurückgespeist, wie die bereits ausführlich in Fig. 1 beschrieben ist.
Erfolgt jedoch das Einschalten des Hauptschalters 11 nicht zum Zeitpunkt, indem sich der Resonanzkreis 32 im Zustand 96 befindet, so verlängert sich das lineare Ladungsintervall, das durch die strichlierte Kennlinie 99 dargestellt wird, bis zu einem Zustand 100. Bei der strichlierten Kennlinie 99 befindet sich der Resonanzkreis 32 zum Einschaltzeitpunkt des Hauptschalters 11 im Zustand 100. Durch das Einschalten des Hauptschalters 11 schwingt der Resonanzkreis 32 vom Zustand 100 in einen Zustand 101, um den Punkt der halben Zwischenkreisspannung 64. Wie in Fig. 5 dargestellt, ist im Zustand 101 der Kondensator 33 noch nicht auf die volle positive Zwischenkreisspannung 54 aufgeladen. Der Kondensator 33 wird nun über die Hauptinduktivität des Übertragers 36 vom Zustand 101 bis zum Zustand 98 weitereladen.
Da die Hauptinduktivität des Übertragers 36 wesentlich grösser als die Resonanzinduktivität, d. h. die Induktivität 34 plus der Induktivität 89 bzw. der Induktivität 90 ist, kann dieser Vorgang in UZ-I-Diagramm mit einer Näherung durch eine Gerade zwischen dem Zustand 101 und dem Zustand 98 beschrieben werden.
Im Zustand 98 ist der Kondensator 33 auf die volle positive Zwischenkreisspannung 65 umgeladen. Der in diesem Zustand 98 sehr kleine Strom im Resonanzkreis 32 wird von der Klemmdiode 38, wie bereits in Fig. 1 beschrieben, übernommen, wodurch eine Überladung des Kondensators 33 verhindert wird. Wie in Fig. 1 beschrieben, wird nun die Freilaufdiode 12 leitend und führt somit den Laststrom 60 und durch den Kondensator 33 fliesst kein Strom mehr. Er bleibt also auf die positive Zwischenkreisspannung 65 geladen.
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Wird nun von der Steuervorrichtung 52 der Hilfsschalter 22 abgeschaltet, so schaltet der Hilfsschalter 23 nun lediglich den Magnetisierungsstrom des Übertrager 36 ab, worauf sich der erste Teil 35 und der zweite Teil 47 des Übertragers 36 über die Freilaufdiode 25 gegen die Zwischenkreisspannung entmagnetisiert.
Am Zustand 98 wird von der Steuervorrichtung 52 der Löschvorgang für den Hauptschalter 11 durch Einschalten des Hilfsschalters 22, wie in Fig. 1 beschrieben eingeleitet. Der Kondensator 33 kann sich nun über den Hauptschalter 11 der Induktivität 89, dem Hilfsschalter 22, dem Übertrager 36, indem sich der Strom wie in Fig. 1 beschrieben aufteilt und über die Induktivität 34 entladen, wodurch die Klemmdiode 44 leitend wird und die halbe Zwischenkreisspannung in positiver Richtung am Resonanzkreis 32 anliegt und ein neuerliches Umschwingen des Kondensators 33 zufolge hat. Diese Schwingung des Kondensators 33 beschreibt der Kreis vom Zustand 98 über einen Zustand 102 zu einem Zustand 103 mit einem Mittelpunkt, der der halben positiven Zwischenkreisspannung 64 entspricht. Im Zustand 102 wird von der Steuervorrichtung 52 der Hauptschalter 11 abgeschaltet.
Ist der Zustand 103 erreicht, so ist der Kondensator 33 vollständig entladen.
Am Zustand 103 bei dem der Resonanzkreis 32 gerade stromlos wird und die Kondensatorspannung des Kondensators 33 gerade Null geworden ist, schaltet die Steuervorrichtung 52 den Hauptschalter 13 wieder verlustarm ein. Nach dem Einschalten des Hauptschalters 13 kommutiert der Strom linear von der Freilaufdiode 12 zum Hauptschalter 13. Aufgrund der induktiven Spannungsteilung liegt der Brückenmittelpunkt 20 auf der halben positiven Zwischenkreisspannung, wodurch der Resonanzkreis 32 im Zustand 103 verharrt. Erst nach abgeschlossener Kommutierung, - d. h. die Freilaufdiode 12 ist stromlos, und der Hauptschalter 13 führt den Laststrom 60 - schaltet die Freilaufdiode 12 ab, wodurch die halbe Zwischenkreisspannung wieder in negativer Richtung am Resonanzkreis 32 anliegt.
Der Resonanzkreis 32 schwingt im UZI-Diagramm, in Fig. 5 ersichtlich, nun automatisch vom Zustand 103 über den Mittelpunkt 57 wieder in die Ausgangsspannung der negativen Zwischenkreisspannung 54 um, dies geschieht zwischen den Zuständen 103 und 91. Ist der Zustand 91 erreicht, so ist der Kondensator 33 auf die volle negative Zwischenkreisspannung 54 geladen und ein neuerlicher Ausschaltvorgang für den Hauptschalter 13 kann beginnen. Weiters wird am Zustand 91 der Hilfsschalter 22 abgeschaltet.
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Um die bei der Inbetriebnahme der Schaltvorrichtung 1 angenommene Werte zu erhalten, wird der Schaltzustand vom Zustand 103 bis zum Zustand 91 vollzogen, wodurch der Kondensator 33 auf die maximale negative Zwischenkreisspannung 54 aufgeladen wird.
Unter Schaltzyklus wird bei der Beschreibung des vorliegenden Verfahrens zur Vermeidung von Schaltverlusten ein Umschaltvorgang verstanden, der sich vom Zustand 56 über den Zustand 66 wieder bis in den Zustand 56, in Diagram nach Fig. 2 erstreckt. Zur Versorgung der Last 18 schliessen sich bei Einsatz des erfindungsgemässen Verfahrens derartige Schaltzyklen bzw. Umschaltvorgänge nahtlos aneinander.
Selbstverständlich ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, dass die beschriebenen Schaltungselemente durch beliebige andere Schaltungsteile ersetzt werden können.
Der Ordnung halber sei darauf hingewiesen, dass auch einzelne Teile der zuvor beschriebenen Schaltungen in beliebiger Kombination den Gegenstand von eigenständigen erfindungsgemässen Lösungen bilden können.
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Bezugszeichenaufstellung
1 Schaltvorrichtung
2 Umrichter
3 Anschlussklemme
4 Anschlussklemme
5 Spannungsquelle
6 Leitung
7 Leitung
8 Versorgungsleitung
9 Versorgungsleitung 10 Halbbrücke 11 Hauptschalter 12 Freilaufdiode 13 Hauptschalter 14 Freilaufdiode 15 Leitung 16 Leitung 17 Leitung 18 Last 19 Leitung 20 Brückenmittelpunkt 21 Entlastschaltung 22 Hilfsschalter 23 Hilfsschalter 24 Leitung 25 Freilaufdiode 26 Freilaufdiode 27 Hilfshalbbrücke 28 Brückenmittelpunkt 29 Leitung 30 Leitung 31 Leitung 32 Resonanzkreis 33 Kondensator 34 Induktivität 35 Teil 36 Übertrager 37 Klemmdiode 38 Klemmdiode 39 Leitung 40 Leitung 41 Leitung 42 Brückenmittelpunkt 43 Klemmdiode 44 Klemmdiode 45 Leitung 46 Brückenmittelpunkt 47 Teil 48 Leitung 49 Strommessvorrichtung 50 Leitung 51 Regler 52 Steuervorrichtung 53 Kennlinie 54 Zwischenkreisspannung 55 Pfeil 56 Zustand 57
Mittelpunkt 58 Zustand 59 Zustand 60 Laststrom 61 Zustand 62 Pfeil 63 Zustand 64 Zwischenkreisspannung 65 Zwischenkreisspannung
66 Zustand
67 Zustand
68 Zustand
69 Halbbrücke
70 Halbbrücke
71 Vollbrücke
72 Leitung
73 Wandler
74 Anschlusspunkt
75 Anschlusspunkt
76 Anschlusspunkt
77 Leitung
78 Diode
79 Diode
80 Gleichrichter
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81 Leitung
82 Induktivität
83 Last
84 Leitung
85 Leitung
86 Leitung
87 Leitung
88 Leitung
89 Induktivität
90 Induktivität
91 Zustand
92 Kennlinie
93 Zustand
94 Zustand
95 Zustand
96 Zustand
97 Zustand
98 Zustand
99 Kennlinie 100 Zustand 101 Zustand 102 Zustand 103 Zustand