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Schaltungsanordnung zur Umrichtung einer Gleichspannung in eine geregelte Wechselspannung
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Umrichtung einer Gleichspannung über einen Transformator in eine geregelte Wechselspannung, bei welcher an symmetrische Anzapfungen der Primärwicklung des Transformators angeschlossene stromrückleitende Dioden, an äussere Punkte der Primärwicklung des Transformators in Gegentaktschaltung angeschlossene Thyristoren, ein zwischen den äusseren Punkten liegender Kondensator und eine Einheit zum Steuern der Thyristoren vorgesehen sind, wobei entweder eine Löschinduktivität zwischen dem gemeinsamen Punkt der stromrückleitenden Dioden und dem gemeinsamen Punkt der Thyristoren mit einer der Löschinduktivität parallelgeschalteten, mit den stromrückleitenden Dioden gleich polarisierten kurzschliessenden Diode,
oder eine mit einer ihrer Elektroden üner eine Sekundärwicklung der Löschinduktivität an den einen Pol einer Speisespannungsquelle angeschlossene kurzschliessende Diode vorgesehen ist und im letzteren Fall der andere Pol der Speisespannungsquelle mit dem gemeinsamen Punkt der stromleitenden Dioden und mit der andem Elektrode der kurzschliessenden Diode verbunden ist.
Wie bekannt, gewinnen Halbleiterwechselrichter mit geregelter Ausgangsspannung in der Wechselrichtertechnik immer mehr an Bedeutung. Die Regelbarkeit der Wechselrichter wird meistens dadurch erreicht, dass die Spannungszeitfläche einer Halbperiode entweder durch Löschthyristoren oder durch andere Regelglieder der Schaltung geändert wird. Die Ergänzung der Schaltung mit Gliedern dieser Art ist aber entweder kostspielig, oder sie führt zu Anordnungen, deren Wirkungsgrad in bestimmten Teilen des Regelbereiches wesentlich abnimmt.
Die Erfindung bezweckt die Behebung dieser Unzulänglichkeit und die Schaffung einer Schaltunganordnung für im Schaltbetrieb arbeitende Halbleiterwechselrichter, in der durch ein neuartiges zusammengesetztes Steuersignal kostspielige Ergänzungsglieder wegfallen können. Auf diese Weise wird die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung im Gegensatz zu den bekannten Schaltungen der gleichen Art bezüglich Selbstkosten bzw. Wirkungsgrad den nicht geregelten Wechselrichtern ähnlich, die in dieser Hinsicht vorteilhafter sind als die bisher bekannten Wechselrichter mit regelbarem Ausgang.
Dies wird mit der eingangs dargelegten Schaltungsanordnung erfindungsgemäss dadurch erreicht. dass die Steuereinheit als Signalgenerator zum Liefern eines zusammengesetzten Steuersignals ausgebildet ist, das je Leithalbperiode abwechselnd aus einen Nadelimpuls und aus von diesem um einen regelbaren elektrischen Winkel getrennten Impuls besteht, auf den gegebenenfalls weitere Impulse folgen.
Die wirtschaftlichen Vorteile der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung treten insbesondere bei Gegentaktschaltungen hervor, wo z. B. mittels zwei Thyristoren bereits ein geregelter Betrieb erreicht werden kann. Hier führen die beiden Thyristoren im Gegensatz zu den bekannten Schaltungen ein sogenanntes doppeltes Löschen aus, indem sie sich nicht in der üblichen Weise je Halbperiode gegenseitig auslöschen, wobei der eine Thyristor gezündet und der andere Thyristor gelöscht wird, sondern in der
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Weise arbeiten, dass der zuletzt zündende Thyristor (von zwei Hauptthyristoren zunächst der eine und dann der andere) den früher gezündeten Thyristor auslöscht, aber am Ende dieses Löschvorganges auch er selbst auslischt. Dieser Vorgang fordert aber einerseits ein Steuersignal von geeigneter Form und anderseits eine Ergänzung der Schaltung.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen erläutert, wobei Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel derGegentaktschaltung des Spannungsrichters gemäss der Erfindung darstellt. Fig. 2 ist einSchaltbild eines andern Ausführungsbeispiels. Die Fig. 3 bis 5 zeigen verschiedene Steuersignale. Fig. 6 ist schliesslich das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels mit Brückenschaltung.
Gleiche Bezugszeichen weisen in den Zeichnungen auf ähnliche Einzelheiten hin.
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und über Thyristoren- 3 und 4-- mit den beiden Enden oder äusseren Punkten der Primärwicklung --8a-- eines Transformators --8-- verbunden ist. Zur Primärwicklung --8a-- ist ein Löschkondensator --2-- parallelgeschaltet.
Ihre Mittelanzapfung ist mit dem negativen Pol der Speisespannungsquelle --U1-- verbunden Zwei Zwischenanzapfungen der Primärwicklung --8a--, die zur Mittelanzapfung symmetrisch liegen, sind über zur Stromrückleitung dienende Dioden --6 und 7-- an den positiven Pol der Speisespannungsquelle - angeschlossen. Zur Löschinduktivität --1-- ist eine Diode --5-- parallelgeschaltet, die im gleichen Sinne polarisiert ist wie die Dioden --6 und 7-- und über die die Löschinduktivität-l-kurz- geschlossen ist. Demgemäss ist ihre Kathode an den positiven Pol der Gleichspannungsquelle --U1-- angeschlossen.
An die Steuerelektroden der Thyristoren --3 und 4-- ist eine Steuereinheit --12-- angeschlossen, die für die Steuerelektrode des Tjrisbors --3-- Steurestinale--31-- und für die Steuerelektrode des Thyristors --4-- Steuersignale --32-- gemäss Fig. 3 liefert. Die Steuersignale --31 und 32-- bilden zusammengesetzte Signale, die gegenseitig elektrisch um 1800 verschoben sind und dieselbe Wellenform aufweisen, wobei in einer Halbperiode das Signal--31-- aus einem Nadelimpuls-33-- und aus einem Rechtecksignal--34--besteht, das, um den winkel --#-- verzögert, dem Nadelimpusl --33-- nacheilt. In der andern Halbperiode ist das Signal Null. Der Winkel--kann mittels eines der Steuereinheit - zugeführten elektrischen Regelsignals, z.
B. eines Spannungssignals, in einem Bereich von 0 bis 1800 geändert werden.
Die Sekundärwicklugn --8b-- des Transformators --8-- ist über eine Induktivität --9-- und über einen Vierpol --10-- zumliefern eines sinusförmigen Signals an eine Verbraucherimpedanz --11-- angeschlossen, wobei eine sinusförmige Wechselspannung --U2-- geliefert wird. Wird die erforderliche Impedanz durch die Streuimpedanz des Transformators --8-- gebildet, kann die Induktivität-9- wegfallen.
Die doppelte Löschung wird in der folgenden Weise bewirkt :
Während der Thyristor --3-- stromdurchlässig ist, wird der Löschkondensator --2-- auf annähernd das Doppelte der Speisespannung bei einer Polarität aufgeladen, bei welcher seine dem Thyristor --3-zugekehrte Armatur positiv ist und über die Induktivität-l-ein durch die Speisespannung und die Belastungsverhältnisse bestimmter Verbraucherstrom fliesst Der Thyristor --4-- wird durch den Nadelimpuls --33-- des Steuerstignals --32-- gezündet, wobei der Thyristor --3-- durch den Thyristor --4-mittels der Energie des Kondensators --2-- in an sich bekannterweise ausgelöscht wird.
Dadurch ist ge- währleistet, dass der Kondensator --2-- über die Primärwicklung --8a-- des Transformators --8-- im Verhältnis zum Ausgangszustand gegensinnig polarisiert annähernd auf das Doppelte der Speisespannung aufgeladen wird. Um zu verhindern, dass der Thyristor --4-- nach Durchführung des Löschvorganges stromdurchlässig bleibt, d. h. um zu gewährleisten, dass entsprechend der durdch den Winke --#-- be- stimmten Pause beide Thyristoren gesperrt werden, muss die Spannung auch am Thyristor --4-- der negativen Sperrrichtung entsprechend umgesteuert werden.
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gie in den an ihren Klemmen angeschlossenen Stromkreis wieder derart zurückgespeist, dass ihre den gemeinsamenElektrodenderThyristoren--3udn4--zugekehrteKlemme--13--derderSpeisespannung zugekehrten Klemme --14-- gegenüber positiv wird. Beim Weglassen der Diode --5-- mit ihrer angedeuteten Polarität würde die Energie der Induktivität --1-- über den Thyristor --4-- und grösstenteils über die Diode --7-- einen Strom in d er Öffnungsrichtung bewirken. Die Diode --5-- bietet aber eine Ableitung, deren Impedanz geringer ist als die Impedanz dieses Stromweges, so dass die Induktivität - keinen Strom in der Öffnungsrichtung über den Thyristor --4-- durchlässt (erste Bedingung der
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doppelten Löschung).
Es ist ferner zu gewährleisten, dass die auf die Klemmen der Primärwicklung --8a-- des Transformators --8-- reduzierte Last der Steilheit der Spannungsänderung an den Klemmen der Primärwicklung - gegenüber induktiv ist. Dies wird durch die Induktivität --9-- erreicht, die bei gegebenen Lastbedingungen einen Teil des sinusbildenden Vierpols-10-oder mangels eines derartigen Vierpols einen Teil der Induktivität des Transformators --8-- bilden kann. Ist der erwähnte induktivecharakter vorhan- den, so wird nach Löschen des Thyristors --3-- von der Last her über die Diode --7-- in an sich bekannter Weise Strom zurückgespeist (zweite Bedingung der doppelten Löschung).
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Öffnungsrichtung, so dass er auslischt.
Zwecks intensiverer Löschung sind die stromrückleitenden Dioden - 6 und 7-- an Zwischenanzafungen der Primärwicklugn --8a -- angeschlossen. Somit erscheint an den Klemmen des Thyristors --4-- bei der in der zweiten Bedingung erwähnten Stromrückleitung eine negative Sperrspannung.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Wechselrichters arbeitet wie folgt :
Es sei angenommen, dass der Thyristor --3-- durch den Rechteckimpuls --34-- des Steuersignals - gesteuert ist und den Strom leitet. Der Thyristor --4-- wird durch den Nadelimpuls --33-- des Steuersignals --32-- gezündet, wobei der Thyristor --3-- auslischt. Nach der Löschung des Thyristors - wird auch der Thyristor --4-- gelöscht. Nach einer Verzögerung um den Winkel --so-- wird der Thyristor --4-- durch denRechteckimpuls --34-- des Signals --32-- neu gesteuert und gezündet, wobei er bis zum Ende der Halbperiode leitend wird. Nun wiederholt sich der Vorgang im umgekehrten Sinn, wobei die Rollen der Thyristoren --3 und 4-- gewechselt werden.
In der Schaltungsanordnung gemäss der Erfindung war die eine Bedingung der Löschung - wie gezeigt-der Umstand, dass beim Löschen der Thyristoren --3 und 4-- für die Rückspeisung der in der Löschinduktivität --1-- gespeicherten erhöhten Energie ein Stromweg gesichert wird, dessen Impedanz geringer ist als die des Stromweges über den zuletzt eingeschalteten Thyristor. Dies wird beim darge-
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in der geeigneten Richtung kurzgeschlossen wird.
Der über die Diode --5-- hindurdchfliessende Strom kann aber erhebliche Verluste herbeiführen.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das geeignet ist, die durch die Diode --5-- verursachten Verluste grösstenteils zu verhüten. Zu diesem Zweck ist die Löschinduktivität --1-- mit einer Sekundärwicklung --la-- versehen, deren eine Klemme über die Diode --5-- an den positiven und deren andere Klemme
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tung bei geringer Impedanz derart gewählt, dass über die Diode --5-- und über eine der Rückleitungs- dioden --6 und 7-- Strom in die Speisespannungsquelle-U--zurückfliesst. Die Spannung zwischen den Klemmen --13 und 14-- der Löschinduktivität --1-- muss derart gering sein, dass die an den zuletzt eingeschalteten Thyristor angelegte Sperrspannung nicht vermindert wird.
Daraus folgt, dass die Diode - vor allem nicht der Rückleitung von Energie in die Speisespannungsquelle-Ui-dient, sondern dazu bestimmt ist, für die in der Löschinduktivität --1-- aufgespeicherte Engergie eine Ableitung bei geringerimpedanz zu gewährleisten und dadurch den Strom vom zuletzt gezündeten Thyristor abzulenken.
Fig. 5 zeigt zusammengesetzteSteuersignale --51 und 52--, mittels welcher die Sinusform der von der Sekundärwicklung --8b-- erhaltenen Spannung in vorteilhafter Weise erreicht werden kann. Die steuresignale --51 und 52-- bestehen aus Leithalbperidoden --T1-- und Pausehalbperidoden --t2-- In der Leithalbperiode --T1-- unterscheiden sich die Signale --51 bzw. 52-- von den Steuersignalen --31 bzw. 32-- gemäss Fig. 3 darin, dass auf den ersten Nadelimpuls --53-- nach einer Verzögerung entsprechend eines regelbaren elektrischen Winkels--anstatt eines Rechteckimpulses eine aus Rechteckimpulsen bestehende Impulsreihe --54-- folgt.
In der Pausehalbperiode-T-besteht die Abweichung darin, dass die Signale --51 und 52-- aus Nadelimpulsen --55-- bestehen, die zeitlich mit den Hinterflanken der Rechteckimpulse in der Leithalbperiode des andern Signals zusammenfallen.
Bei Steuerung der Thyristoren --3 und 4-- durch die Signale --51 und 52-- wird die Schaltungsanordnung gemäss Fig. 1 ebenfalls auf Grund der doppelten Löschung arbeiten. Es sei angenommen, dass in einem gegebenen Zeitpunkt der Thyristor --3-- in seiner leitenden Halbperiode auf Einwirkung des
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beschriebene Doppellöschung, wobei beide Thyristoren auslöschen. Der Thyristor --4-- wird durch den ersten Rechteckimpuls der Impulsreihe --54--, der auf den Nadelimpuls --53-- folgt, neu gezündet, wobei er dann kontinuierlich stromdurchlässig ist. Am Ende des Rechteckimpulses wird der Thyristor durch den entsprechenden Nadelimpuls der Impulsreihe --55-- gezündet, so dass wieder eine Doppellöschung erfolgt.
Nachher wird auf Einwirkung des nächstfolgenden Rechteckimpulses von neuem der Thyristor --4-- stromdurchlässig sein, was durch eine erneute Doppellöschung aufgehoben wird, die durch die Zündung des Thyristors --3-- durch einen Nadelimpuls erfolgt. Dieser Vorgang wird innerhalb der leitenden Halbperiode des Thyristors --4-- mehrmals wiederholt, wogegen bei der nächsten Halbperiode die Thyristoren ihre Rollen austauschen.
Bei diesem Betrieb erscheint an der Sekundärwicklung --8b-- des Transformators --8-- ein moduliertes Rechtecksignal wechselnder Polarität, dessen Amplitude sich in den Halbperioden entgegengesetzter Polarität zwischen einem Spitzenwert und Null sprunghaft symmetrisch ändert. Durch geeignete Wahl des Signal/Pause-Verhältnisses der rechteckigenSteuersignale --51 und 52--kannerreichtwerden, dass derGehalt an Oberwellen der an der Sekundärwicklung --8b-- erscheinenden Spannung im Verhältnis zum Gehalt an Oberharmonischen der durch das gesamte Rechtecksignal bzw. durch die Steuerung gemäss Fig. 3 bedingten Ausgangsspannung wesentlich abnimmt, wodurch sowohl die Abmessungen wie auch der Preis und die Verluste der sinusbildenden Einheit --10-- abnehmen.
Bei Änderung des Signal/Pause-Verhältnisses der Rechteckimpulse der Steuersignale --51 und 52-und des Winkels --cp-- kann die Amplitude der Grundwelle des Ausgangssignals wirksam geregelt werden. Diese Änderung kann durch ein elektrisches Signal, z. B. eine Spannung bewirkt werden, die an die Steuereinheit--12-- gelegt wird. Dies hat zur Folge, dass die Steuersignale --51 und 52-- in der leitenden Halbperiode zwischen zwei Grenzen geregelt werden können. Die Grenzen sind einerseits durch einen Rechteckimpuls von einer Zeitspanne von 1800 und anderseits durch einen Nadelimpuls - bestimmt.
Die Rechteckimpulse in den beschriebenen zusammengesetzten Steuersignalen können auch durch Impulsreihen ersetzt werden, die aus Nadelimpulsen bestehen und zum Steuern von Thyristoren allgemen verwendet werden. Dies hat bezüglich der Erfindung dann besondere Bedeutung, wenn die Steuereinheit --12-- einen Teil eines digitalen Regelkreises bildet. Dann ist nämlich die Höhe der an der Sekundärwicklung --8b-- erscheinenden Spannung durch die Zahl der Glieder der Impulsreihe regelbar. Ein Steuersignal dieser Art ist in Fig. 4 dargestellt. wo die Rechteckimpulse --34-- der Steuersignale
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aus verschiedenen an sich bekannten Grundschaltugen der Impulstechnik zusammengebaut ist.
Das Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung gemäss der Erfindung nach Fig. 6 unterscheidet sich von der vorherigen insofern, dass der Primärkreis --8a-- des Transformators --8-- zusammen mit seiner spiegelbildartigen Verdoppelung in einer Brückenschaltung liegt, was durch eine Ergänzung der Bezugszeichen mit einem-d-angedeutet ist Übrigens hat die Brückenschaltung eine gemeinsame Steuereinheit --12-- und einen gemeinsamenLöschkondensator --2--. Wie bekannt, hat eine Schaltung dieser Art den Vorteil, dass sie gestattet, höhere Speisespannungen zu verwenden.
Die Speisespannung kann beliebig hoch sein, wenn der Primärkreis mit ähnlich ausgebildeten weiteren Primärkreisen in Reihe geschaltet liegt, wobei alle Primärkreise an einen gemeinsamen Transformator angeschlossen sind.
Durch eine mehrfache Reihen- oder Parallelschaltung der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung,
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sinusartige Wellenformen erreicht werden.
Es ist auch leicht einzusehen, dass bei einer gruppenweisenAnwendung der Schaltungsanordnung gemäss der Erfindung durch eine gegenseitige Phasenverschiebung der Steuerungen der Steuereinheiten, sowie durch Verbindung der Sekundärseite auch mehrphasige Systeme gebildet werden können.
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