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Verfahren zur Erzeugung einer konstanten oder innerhalb kleiner Grenzen regelbaren Ausgangs- spannung von Stromrichteranordnungen.
Bei den bisher bekannt gewordenen Stromrichteranordnungen, die sich zur Kommutierung eines Schwingkreises oder auch nur eines Kondensators bedienen, besteht die Schwierigkeit, zwischen Leerlauf und Vollast konstante Spannungsverhältnisse zu erzielen. Je nach dem Aufbau der Umformungseinrichtung ist sie entweder im Leerlauf (Parallelwechselrichter) oder schon bei geringer Überlast (Serienwechselrichter) nicht mehr arbeitsfähig. Ausserdem treten grosse Spannungschwankungen in Abhängigkeit von der Last auf. Zur Verdeutlichung dieses Vorganges sei zunächst, als dem einfachsten Beispiel, auf die Arbeitsweise eines Parallelwechselrichters eingegangen.
Die Fig. 1 stellt in vereinfachter Form einen derartigen Wechselrichter dar. Die Gleichspannung 9 wird über den Schalter 8 je nach Bedarf mit dem Kontakt 1 oder 2 verbunden. Im übrigen besteht der Wechselrichter aus dem von der Drossel 5 und dem Kondensator 6 gebildeten Schwingkreis, der durch die zum Kondensator parallel geschaltete veränderbare Last 7 mehr oder weniger gedämpft
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Schalters 8 positiv und negativ geladen. Für die folgenden Betrachtungen kann das Umladen in einem festen, von der Eigenfrequenz des Schwingungskreises vollkommen unabhängigen Takt geschehen (Fremdsteuerung). In der gezeichneten Stellung wird der Kondensator auf der linken Seite negativ, auf der rechten Seite positiv aufgeladen ; es entsteht die positive Halbwelle der Wechselspannung.
Wird der Schalter 8 auf den Kontakt 2 gelegt, so lädt sich der Kondensator um, wobei die rechte Seite negativ und die linke Seite des Kondensators positiv wird. Arbeitet der Wechselrichter im Leerlauf, so ist die Dämpfung gering. Der Verlauf der am Kondensator 6 auftretenden Spannung Ps ist aus Fig. 2 ersichtlich. Die Kondensatorspannung schwingt bei der ersten Umladung beinahe um den doppelten Wert der Schaltspannung 2 über den stationären Wert hinaus. Theoretisch besteht nun die Möglichkeit, einen Wechselrichterbetrieb dergestalt durchzuführen, dass an die erste Halbwelle der gedämpft abklingenden Schwingung die nächste der vom Wechselrichter zu liefernden Spannungshalbwelle angeschlossen wird.
Diese nächstfolgende Halbwelle dürfte jedoch höchstens im Punkte A. ansetzen und würde dann ebenfalls wieder bis auf den Wert + 3 Po ansteigen. Setzt die nächstfolgende Halbwelle etwa bereits im Punkte E an, so ist die zur Umladung zur Verfügung stehende Spannung grösser als bisher ; es werden sich demzufolge die Schwingungen anfachen, die Kondensatorspannung sich hiebei auf unzulässige Werte aufschaukeln. Ein ordnungsgemässer Betrieb des Wechselrichters im Leerlauf ist daher kaum möglich. Erfolgt die Anfügung der nächstfolgenden Halbwelle erst im Punkte C, so ist die zur Umladung zur Verfügung stehende Spannung zwar geringer, die Ausbildung der Spannung des Wechselrichters aber entspricht in ihrer Kurvenform keineswegs den an sie zu stellenden Anforderungen.
Es besteht ferner die Möglichkeit, den Wechselrichter so zu betreiben, dass erst dann, wenn der Einschwingvorgang des Kondensators 6 nach einer logarithmischen Funktion abgeklungen ist, die Umladung des Kondensators zwecks Bildung der nächsten Spannungshalbwelle erfolgt. Es bleibt jedoch dann der Nachteil bestehen, dass die Spannungskurvenform (in diesem Falle sei eine rechteckförmige Kurvenform der Spannung als gewünscht vorausgesetzt) durch die Spannungsspitzen des Einschaltungsvorganges stark beeinträchtigt werden.
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Vergrössert man die Last 7, so wird der Einschwingvorgang stark gedämpft, der Kurvenverlauf bildet sich so aus, wie die in Fig. 2 dargestellte Spannung U6'zeigt. Der Einschwingvorgang ist innerhalb kürzerer Zeiten abgeklungen, und die Spitzenspannungswerte der Kondensatorspannung liegen nur geringfügig über der gewünschten Spannungshöhe. Ein Aufschaukeln der Kondensatorspannung zufolge einer im falschen Augenblick erfolgenden Umschaltung des Kondensators kann nun nicht mehr eintreten. Der Unterschied in der Spannungsbildung bei starker und bei schwacher Dämpfung bewirkt einerseits die Unsicherheit im Leerlaufsbetrieb, anderseits die starken Spannungsschwankungen zwischen Leerlauf und Vollast.
Gemäss der vorliegenden Erfindung kann die Ausgangsspannung einer Stromrichteranordnung über alle Lastbereiehe annähernd konstant gehalten oder innerhalb gewisser, freieinstellbarer Grenzen geregelt werden, u. zw. dadurch, dass das Umschalten bzw. die Kommutierung zwischen positiven und negativen Spannungswerten über Spannungswerte erfolgt, die einen Zwischenwert einnehmen zwischen der erzeugten Spannung vor und nach der Kommutierung. Um den Erfindungsgedanken näher zu kennzeichnen, sei zunächst auf die Fig. 3 eingegangen, die im wesentlichen der Fig. 1 entspricht. Lediglich der Umschalter 8 berührt während der Umlegung von dem Kontakt 1 auf den Kontakt, 2 während einer gewissen, einstellbaren Zeit den Kontakt 0.
In diesem Falle liegt also die
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zur Verfügungstehenden Spannung hat nur mehrden Wert U9, die zur Zeit tz erreichtbare maximale Spannung erhält daher auch nur den Wert-tT,. Unter der Voraussetzung einer geringen Dämpfung, d. h. also bei Leerlauf, wurde sieh beim Verbleiben des Umsehalters 8 auf dem Kontakt 0 der Einsehwingvorgang der Spannung U6 in der Form vollziehen, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist.
Bei Vollast, d. h. grosser Dämpfung, tritt der bereits genannte Vorgang der Absenkung der maximalen Überspannung des Kondensators ein, der Verlauf der Spannung entspricht dem in Fig. 4 mit U@' bezeichneten. Der Erfindungsgedanke kann nun so verwirklieht werden, dass bei Leerlauf zunärhst der Umschalter 8 in die
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(vgl. Fig. 2, -U9) vermeidet. Mit steigender Last, d. h. mit grösser werdender Dämpfung, wird nun die Umschaltung so erfolgen, dass zunächst die Kondensatorspannung U6 bis zu ihrem Scheitelwert bis zur Zeit t, ausgenutzt wird.
Alsdann erfolgt eine NacMadung (Weiterführung des Umschalters in die Kontaktlage 2). Die zur Naehladung zur Verfügung stehende Spannung A U wird stets einen
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spannung über den Wert-U' wird daher nur geringfügig und das Einschwingen auf den neuen Endzustand in kurzer Zeit beendet sein. Zweckmässigerweise wird man mit steigender Last den Umschalter 8 immer kürzere Zeit in der Nullstellung belassen und gegebenenfalls bei grosser Last annähernd ohne Nullstellung des Schalters auskommen.
Um den Schwierigkeiten bei der lastabhängigen Umschaltung auf die Nullstellung zu begegnen, kann man bei Leerlauf ein geringes Überschwingen der Spannung über den Sollwert in Kauf nehmen und bei Vollast auf eine volle Ausnutzung des Kondensators verzichten. Unter dieser Voraussetzung kann das Umschalten des Schalters 8 unabhängig von der Last stets im gleichen Takt erfolgen. Hiebei wird sich die Kommutierung dann stets in zwei Stufen ausbilden. Bei Leerlauf wird sich der Kondensator bzw. die Kondensatorspannung infolge der geringen Dämpfung bereits bei der ersten Stufe vom Wert +U9 auf den Wert-U, einstellen. Bei der zweiten Stufe erfolgt dann lediglieh das Zuschalten
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kommt erst durch die der zweiten Stufe folgende Nachladung auf den Spannungswert -U9.
Die Grösse dieser Nachladung stellt sieh dann selbsttätig ein.
In der Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel, das den Erfindungsgedanken verkörpert, dargestellt, bei dem der Umschalter S durch je zwei gegensinnig parallel geschaltete, gesteuerte Entladungsstrecken ersetzt ist. Zweckmässigerweise finden hiebei Dampf- oder Gasentladungsstrecken Verwendung. Der Stellung 1 des Umschalters 8 entsprechen die Entladungsstrecken J'und 1", der Stellung 2 die En'-
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und 4"verkörpert. Die Schaltung gemäss Fig. 6 weicht insofern noch von der Schaltung gemäss Fig. 3 ab, als der Kondensator 6 nieht fest an den Verbraucher angeschaltet ist, sondern über ebenfalls gesteuerte, gegensinnig parallel geschaltete Entladungsstreeken 3'und 3"angeschlossen wurde.
Durch die Zwisehensehaltung dieser gesteuerten Entladungsstreeken, die gewissermassen als Gleichrichter mit eindeutiger Stromdurchlassrichtung wirken, und die bei den aufeinanderfolgenden Kommutierungen, wie auch der Fig. 7 zu entnehmen ist, abwechselnd freigegeben werden, kann die Kondensatorumladung
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Gleichspannungs wert hinaus, so verhindert die Entladungsstrecke 3'bzw. 3"eine Zurückschwingung der Kondensatorspannung. Das bedeutet beispielsweise in Fig. 2, dass die Kondensatorspannung U9 zwangläufig naeh dem Erreichen des Spannungswertes D auf diesem Wert festgehalten wird ; der
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Kondensatorstrom wird unterbrochen.
Der Kondensator ist von der Last abgeschaltet und wird erst bei der nächsten Kommutierung durch die entsprechende andere, gegensinnig parallel geschaltete Entladungsstrecke wieder zugeschaltet. Während der Zeiten, in denen der Kondensator von der Last abgeschaltet ist, ist die Lastspannung praktisch gleich der Netzspannung (Gleichspannung üg), da der Spannungsabfall des Laststromes an der Drossel 5 vernachlässigbar klein ist.
Die Fig. 7 stellt einen Steuerplan für die einzelnen Entladungsstreeken dar ; sie gibt die Zeiten an, zu denen die betreffenden Entladungsstrecken mittels ihrer Gittersteuerung freigegeben sind. Im Gegensatz zu bereits vorgeschlagenen Anordnungen mit sogenannten Sternpunktsentladungs-
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Der durch die Entladungsstrecke 3'während der Kommutierung von 2', 2" auf 1', 1" fliessende Kondensatorstrom verlöscht kurz nach dem Entladungseinsatz in den Entladungsstrecken 1', 1", die Entladungsstrecke 3'des Kommutierungskreises kann aber gemäss der Fig. 7 weiter freigegeben bleiben, z. B. bis zum Zeitpunkt der Öffnung der Entladungsstrecke 3". Notwendig ist dies allerdings nicht.
Die jeweilige Freigabedauer kann also auch kürzer bemessen sein, als in der Fig. 7 eingezeichnet ist.
Durch Veränderung der Dauer der Kommutierung über den Zwischenspannungswert gelingt
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auch gleichzeitig dann, innerhalb gewisser Grenzen, eine Spannungsregelung herbeizuführen.
Da der Kondensator 6 ausserhalb der Kommutierungszeiten durch die Entladungsstreeken 3' bzw. 3"von der Last abgeschaltet wird, kann er nach der österr. Patentschrift Nr. 154631 während der Freibleibezeiten beispielsweise andern Teilwechselrichtern zugeschaltet werden und deren Kommutierung bewirken. Es besteht auch die Möglichkeit, den Kondensator in einen derartigen Ladungszustand zu versetzen, d. h. eine für die nächstfolgende Kommutierung notwendige Spannung dadurch zu erzeugen, dass der Kondensator an einem am Kommutierungsvorgang nicht beteiligten Spannungswert aus einem andern (Teilstromrichter) nach-bzw. umgeladen wird.
Fig. 8 zeigt die Spannungsbildung gemäss vorliegender Erfindung nach einer Schaltunganordnung entsprechend der Fig. 6, u. zw. unter der Voraussetzung, dass Leerlauf, also äusserst geringe Dämpfung und eine verhältnismässig lange Einschaltzeit des Zwischenkondensatorkommutierungs- wertes (Umschalter 8 bleibt lange in der Stellung 0 gemäss Fig. 3) vorhanden ist. Die Kondensatorspannung U6 schwingt über den Nullspannungswert bis zum Spannungswert- ! 7a hinaus und erreicht zur Zeit t1 ihr Maximum. Der Kondensatorstrom kommt zufolge der Ventilwirkung der Entladungsstrecken 3'bzw. 3"zum Erlöschen ; gleichzeitig wird die Hauptentladungsstrecke 2'bzw. 2"freigegeben.
Wie bereits weiter oben angedeutet wurde, wird es sich als zweckmässig erweisen, eine mittlere Nullbreite für den Kommutierungsvorgang zu wählen, d. h. also bereits vor der Zeit t1 die Entladungsstrecken 2'bzw. 2"einzuschalten.
Die Fig. 9-15 stellen Oszillogramme dar, die mit sehr geringer Belastung (Fig. 9-11) bzw. mit stärkerer Belastung (Fig. 12-15) aufgenommen wurden. Gleichzeitig wurde hiebei die Nullbreite, d. h. der Verbleib während der Kommutierung auf einem Zwischenspannungswert geändert. Die Oszillogramme zeigen zunächst den Kondensatorstrom i6, den Gleichstrom is, die Drosselspannung Us und die erzeugte Ausgangswechselspannung U7. Fig. 9 zeigt eine Ausgangsspannung, die bei grosser Nullbreite eine sehr geringe Belastung aufweist. Beim Übergang von positiven nach negativen Werten wird der Kondensator 6 mit Hilfe der Entladungsstrecken zugeschaltet. Der Kondensatorstrom steigt an, um dann nach erfolgter Umladung abzuklingen.
Die Wechselspannung U7 ist infolge der wenn auch geringen Dämpfung bis auf einen Zwischenwert zwischen dem Nullspannungs-und dem negativen Wert gekommen und behält wenigstens zunächst diesen Wert bei. Es wird dann die entsprechende Hauptentladungsstrecke am negativen Spannungswert geöffnet. Es erfolgt, wie dem Kondensatorstrom zu entnehmen ist, eine Nachladung des Kondensators, wobei die Kondensatorspannung etwas über den zu erreichenden Spannungswert hinausschwingt. Dann verläuft die Spannung U7 auf dem betriebsmässigen Gleichstromwert- U. Dem Oszillogramm ist ferner zu entnehmen, dass der Spannungswert des Kondensators, den er beim Überschwingen erreicht hatte, erhalten bleibt und beim nächsten Kommutierungsvorgang wieder auftritt.
Aus dem Verlauf des Gleichstromes i, wird ersichtlich, dass der Kommutierungskondensator beim Einschalten zunächst die gesamte Last übernimmt und der Gleichstrom während des Umladevorganges des Kondensators Null wird. Erst der Nachladevorgang erfordert einen geringeren Gleichstromwert, der je nach der Geschwindigkeit des Nachladevorganges abklingt, um dann in den betriebsmässigen Stromwert überzugehen. Bei idealen Leerlaufsverhältnissen müsste der gesamte Strombedarf für den Kommutierungsvorgang vollständig aus der Energie des Kondensators gedeckt werden können. Der Gleichstrom io würde dann keinerlei Zacken aufweisen.
Fig. 10 zeigt ein unter gleichen Verhältnissen wie Fig. 9 aufgenommenes Oszillogramm, bei dem jedoch mit verringerter Nullbreite gegenüber Fig. 9 gearbeitet wurde. Demzufolge erfolgt die Umschaltung von der Nullstellung auf die Arbeitsstellung bereits dann, wenn der Kondensatorstrom noch nicht den Wert Null erreicht hat. Demzufolge ist auch der für die Naehladung erforderliche Gleichstromwert grösser als beim vorhergehenden Oszillogramm. Fig. 11 zeigt wiederum die gleichen Verhältnisse, die in Fig. 9 und 10 vorlagen, nur ist hier mit noch geringerer Nullbreite gearbeitet worden.
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Kondensatorstrom und Kondensatornachladestrom sind in ihrem zeitlichen Verlauf kaum noch zu trennen, demzufolge ist auch der benötigte Naehladegleiehstrom unverhältnismässig hoch. Den Fig. 9 bis 11 ist zu entnehmen, dass durch Veränderung der Nullbreite sowohl der Effektivwert der erzeugten Ausgangsspannung als auch der zeitliche Verlauf ihres Anstieges geändert werden kann. Die Fig. 12, 13 und 14 zeigen die Strom- und Spannungsverhältnisse bei höheren Ohmsehen Lasten, wobei die Fig. 12 mit einer mittleren Nullbreite, die Fig. 13 und 14 mit kleineren Nullbreiten arbeiten und die Fig. 14 gegenüber den Fig. 12 und 13 sieh durch etwa dreifach grössere Lastverhältnisse auszeichnet. Im übrigen sind die Verhältnisse die gleichen wie in dem vorhergehenden Oszillogramm.
Fig. 15 stellt noch den Fall einer induktiven Belastung bei mittlerer Nullbreite dar.
Der Erfindungsgedanke wurde der Einfachheit halber an einem Parallelwerlhselrichter dargestellt, hat jedoch, wie ohne weiteres einzusehen ist, auch für andere Stromrichter, die sich eines Schwingkreises oder eines Kondensators bedienen, Bedeutung.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Erzeugung einer über alle Tastbereiche annähernd konstanten oder innerhalb kleiner Grenzen regelbaren Ausgangsspannung von Stromriehteranordnungen, die mit einer beispiels-
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während der Kommutierung den Laststrom übernimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommutierung unter Zuhilfenahme von Zwischenstufe erfolgt, deren Spannung zwischen der erzeugten Spannung vor und nach der Kommutierung liegt.