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Selbstschwingender Thyristor-Wandler
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des Stromes durch eines der reaktiven Elemente dieses zweiten Schwingungskreises von einem Polarisa- tionszustand in den entgegengesetzten Polarisationszustand übergeht, wobei der erwähnte Impuls erzeugt wird. Unter diesen Verhältnissen wird die Schaltfrequenz des Wandlers im wesentlichen durch die Werte der reaktiven und resistiven Elemente des zweiten Schwingungskreises bedingt, und kann somit praktisch unabhängig-sein von der Belastung des Wandlers und von der zugeführten Speisespannung.
Das nicht lineare Element des vorerwähnten zweiten Schwingungskreises kann z. B. ein Kondensator mit einem Dielektrikum aus einem Material mit spannungsabhängiger Dielektrizitätskonstante sein, die ähnlich wie die von Bariumtitanat von einem "Sättigungswert" des darin auftretenden elektrischen Feldes an stark abnimmt. Vorzugsweise ist das nichtlineare Element jedoch ein Steuertransformator mit einem sättigbaren Kern aus einem ferromagnetischen Material, z. B. mit einem Ferritkern mit rechteckiger Hysteresisschleife. Wird ein solcher Steuertransformator verwendet, so enthält der zweite Schwingungskreis die Primärwicklung mit niedriger Impedanz dieses Transformators, wovon eine Sekundärwicklung mit dem Kreis zwischen dem Emitter und der Steuerelektrode des Gleichrichters gekoppelt ist.
Für bestimmte Zwecke kann es vorteilhaft sein, dass die Schaltfrequenz des Wandlers bei zunehmender Spannung über dem Speise- und bzw. oder Belastungskreis abnimmt. Diese Frequenz nimmt dann bei zunehmender Belastung zu. Auch in solchen Fällen kann ein Wandler nach der Erfindung verwendet werden, wobei der zweite Schwingungskreis dieses Wandlers einen Kondensator und eine Induktivität enthält, die parallel zueinander geschaltet sind, während die Reihenschaltung - des Widerstandes dieses zweiten Schwingungskreises und dieser Parallelschaltung über den kapazitiven Teil des ersten, zwischen einer der Hauptstromkreiselektroden des Gleichrichters und der entsprechenden Klemme des Speisekreises geschalteten ersten Schwingungskreises angeschlossen ist.
Als Widerstand des zweiten Schwingungskreises wird ein symmetrischer Widerstand verwendet, dessen Wert bei zunehmender Spannung abnimmt, z. B. ein sogenannter VDR- oder NTC-Widerstand.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des selbstschwingenden Thyristorwandlers nach der Erfindung. Fig. 2 zeigt Spannungs - und Stromzeitdiagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise dieses Ausführungsbeispiels.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 enthält zwei steuerbare Gleichrichter oder Thyristoren 1 und. 2.
Die Hauptstromkreise dieser Thyristoren sind an die entsprechenden Klemmen eines Speisespannungskreises 3 angeschlossen. Ein Schwingungskreis mit Reihenresonanzcharakteristik, bestehend aus der Parallelschaltung eines Kondensators 4 und der mit einer Mittelanzapfung versehenen Primärwicklung 5 eines Transformators 7 in Reihe mit einer Induktivität 6 ist zwischen einer der Hauptstromkreiselektroden jedes der Thyristoren 1 und 2 und der entsprechenden Klemme des Speisekreises 3 eingeschaltet. Der kapazitive Teil dieses Schwingungskreises, bestehend aus der Parallelschaltung der Elemente 4 und 5, ist durch eine Sekundärwicklung 8 des Transformators 7 mit einem Belastungskreis gekoppelt. Dieser Belastungskreis besteht z.
B. aus der Parallelschaltung einer Anzahl (vier) fluoreszierender Gasentladungsröhren 9,
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zen 11 und 11'sind Induktivitäten, während die Regelimpedanzen 12 und 12'Kondensatoren sind. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Belastung des selbstschwingenden Wandlers mit den Thyristoren 1 und 2 nahezu ohmisch ist und ausserdem sind die Wechselströme durch die Röhren 9 und 9'gegenüber den Strömen durch die Röhren 10 und 10'um etwa 900 in der Phase verschoben, was einer bei niedrigen Schaltfrequenzen auftretenden, störenden stroboskopischen Wirkung in einer diese Röhren enthaltenden. Beleuchtungsanlage entgegenwirkt.
Die Thyristoren 1 und 2 werden periodisch durch Impulse leitend gemacht, die unter Kontrolle des Strqmes durch einen, über den kapazitiven Teil 4-5 des Schwingungskreises mit Reihenresonanzcharakteristik geschalteten, und unterkritisch gedämpften zweitenSchwingungskreis erzeugt wird. Dieser zwei te Schwingungskreis besteht im wesentlichen aus einer Induktivität 13 und einem parallelgeschalteten Kondensator 14. Er enthält weiter einen Widerstand 15, über den der Parallelresonanzkreis 13,14 über dem Kondensator4 angeschlossen ist, und eine Primärwicklung 16, die auf einem sättigbaren Kern 17 aus einem ferromagnetischen Material, z. B. auf einem Ringkern aus einem Ferrit, z. B. Ferroxcube, angebracht ist. Diese Wicklung 16 ist in Reihe mit dem Kondensator 14 über die Induktivität 13 angeschlossen und bildet ein nichtlineares Element des zweiten Schwingungskreises.
Wie dargestellt, bildet diese Wicklung die Primärwicklung mit niedriger Impedanz eines nichtlinearen Steuertransformators, der den Kern 17 und zwei Sekundärwicklungen 18 und 19 enthält, die je mit dem Kreis zwischen dem Emitter und der Steuerelektrode eines der Thyristoren 1 und 2 gekoppelt sind. Der zweite Schwingungskreis enthält noch eine Reaktanz, z. B. eine zweite Induktivität 20, die in Reihe mit dem Widerstand 15 und mit der
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Parallelschaltung des Kondensators 14 in Reihe mit der Wicklung 16 und der ersten Induktivität 13 geschaltet ist. Weiter ist ein zweiter Widerstand 21 in Reihe mit der Induktivität 13 geschaltet, um den Kreisstrom durch die Induktivität 13 und den Kondensator 14 auf einen Wert zu beschränken, bei dem diese Elemente noch linear sind.
Der Kreis zwischen dem Emitter und der Steuerelektrode jedes der Thyristoren 1 und 2 enthält einen Widerstand 24 bzw. 25, der über eine gegenüber dem Strom nach der Steuerelektrode in der Vorwärtsrichtung geschaltete Diode 22 bzw. 23 an die Sekundärwicklung 18 bzw. 19 angeschlossen ist. Diese Dio- den schützen die Thyristoren 1 und 2 vor Rückwärtsimpulsen, da sie diese sperren.
Beim Anschliessen des vorstehend geschilderten Wandlers an den Speisekreis 3 entsteht ein Stromstoss durch den Schwingungskreis 4,5-6, z. B. da einer der Thyristoren 1 und 2 durch ein kapazitives Netz- werk 26,27 überbrückt ist. Dieser Stromstoss stösst auch Schwingungen in dem Parallelresonanzkreis 4 : 6 an. Ein anderes Verfahren zum Anlassen des Wandlers besteht nach der älteren Patentschrift Nr. 222228 darin, eine zusätzliche Wicklung auf dem Kern 17 anzubringen und beim Einschalten einen ersten Stromimpuls durch diese Wicklung zu schicken, oder durch Aufladung eines Kondensators einen Impuls über einem der Widerstände 24 oder 25 zu erzeugen.
Wie dem auch sei, wenn einer der Thyristoren 1 und 2 leitend geworden ist, ist die Zeit, während der er leitend bleibt, durch die Eigenfrequenz des ersten Schwingungskreises 4,5-6 bedingt, wenn diese höher als die'Schaltfrequenz ist. Der Strom durch diesen Kreis geht durch den Nullwert nach einer halben Periode der Reihenresonanzfrequenz ; der Strom durch den leitenden Thyristor, z. B. durch den Thyristor 2, wird auch Null und dieser Thyristor erlischt (s. dritte Zeile der Fig. 2). In der ersten Zeile der Fig. 2 ist die Hälfte der am Kondensator 4 wirksamen Spannung V4 angegeben. Im Betrieb ist diese Spannung in erster Annäherung ungefähr sinusförmig und mehr oder weniger verzerrt durch die Belastung und durch die gegenüber jederhalben Periode unharmonische Energiezufuhr nach dem Schwingungskreis 4,5-6 über einen der Thyristoren 1 und 2.
Die Spannung V 4 über dem Kondensator 4 liefert über den Widerstand 15 und die Induktivität 20 eine Spannung an die Parallelschaltung der Induktivität 13 und des Kondensators 14. Ihrerseits erzeugt diese Spannung einen Strom durch den Kondensator 14 und die Primärwicklung 16 des Steuertransformators mit dem Kern 17. Dieser Strom 1 ist in der vierten Zeile der Fig. 2 angedeutet und eilt der Spannung am Kondensator 4 vor.
Praktisch unmittelbar nach jedem Nulldurchgang des Stromes durch den Kondensator 14 und die Wicklung 16 geht der Kern 17 plötzlich von einem magnetischen Polarisationszustand in den entgegengesetzten Polarisations-oder Sättigungszustand über, Infolge dieses Überganges wird durch eine det Sekun- därwicklungen 18 oder 19 ein Stromimpuls erzeugt. Der Kreis einer dieser Wicklungen ist für diesen Stromimpuls durch die Kopplungsdiode 22 oder 23 gesperrt, so dass der Stromimpuls über die andere Diode dem Widerstand 24 oder 25 und dem damit parallelgeschalteten Emitter-Steuerelektrodenkreis des Thyristors 1 oder 2 zufliesst. Diese Zündimpulse 122 22 bzw. 1 23 sind in der letzten Zeile der Fig. 2 veran schaulicht.
Sie bewerkstelligen eine wechselweise Zündung oder ein wechselweises Leitendwerden der Thyristoren 1 und 2.
Die Schaltfrequenz des Wandlers wird im wesentlichen durch die Werte der reaktiven und resistiven Elemente 13-16,20 und 21 des zweiten Schwingungskreises bedingt. Die Induktivität der Wicklung 16 ist vernachlässigbar.
Zwischen dem Strom 116 durch den Kondensator 14 und die Primärwicklung 16 des Steuertransforma-. tors 16-19 und der über dem Kondensator 4 erzeugten Spannung V4 besteht für bestimmte Werte der Ele-
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zuzunehmen.
Eine Zunahme der Schaltfrequenz entspricht jedoch einer Abnahme des Voreilens des Stromes Il., mit andern Worten, der Voreilungswinkel wird kleiner in dem Masse, in welchem die Schaltfrequenz zunimmt, und die Schaltfrequenz sinkt in dem Masse, in welchem der Voreilungswinkel abnimmt. Es besteht somit ein Gleichgewicht bei einer bestimmtenSchaltfrequenz unddieseGleichgewichtsfrequenz wird durch die Grösse der resistiven und reaktiven Elemente des zweiten Schwingungskreises bedingt und ist grundsätzlich unabhängig vom übrigen Teil der Schaltungsanordnung. Die Schaltfrequenz ist somit nahezu unabhängig von der Gleichspannung, die dem Wandler aus dem Speisekreis 3 zugeführt wird, und von der Belastung, die an die Klemmen der Sekundärwicklung 8 angeschlossen ist.
Infolge der Anwesenheit der Induktivität 6 entsteht im Parallelkreis 4-5 wie bekannt ein grösserer Kreisstrom. Ebenso bildet die Induktivität 20 gemeinsam mit dem Kreis 13,14 eine Art Autotransforma-
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tor mit einem abgestimmten Sekundärkreis 13, 14, durch den ein höherer Kreisstrom fliesst. Die zur Steuerung der Thyristoren 1 und 2 durch den zweiten Schwingungskreis 13-16,20 und 21 dem Kreise 4,5 entnommene Energie ist somit verhältnismässig gering, da sie im wesentlichen durch die Induktivität 20 und den Widerstand 15 beschränkt wird, der ausserdem die Phase des Stromes durch den Kondensator 14 und die Wicklung 16 gegenüber der Spannung durch den Kreis 4,5 mitbedingt.
In der zweiten Zeile der Fig. 2 ist die Spannung Vl zwischen den Hauptstromkreiselektroden des
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zwischenlischt, nahezu gleich Null ist. Im Augenblick t3 geht die Spannung V, durch den Nullwert. Zwischen den Augenblicken und t2 und zwischen den Augenblicken t4 und % sind beide Thyristoren 1 und 2 nicht lei-
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