Wechselrichter mit Stromtoren Die Erfindung bezieht sich auf einen Wechselrich ter mit Stromtoren, insbesondere mit Halbleiter stromtoren. Derartige Bauelemente arbeiten ähnlich wie ein Schalter: Normalerweise ist die Laststrecke gesperrt. Wird der Steuerstrecke eines solchen Strom tores ein Zündimpuls zugeführt, dann wird die Last strecke sehr niederohmig, so dass ein Laststrom flie ssen kann, dessen Grösse allein durch die Daten der Stromquelle und des Belastungswiderstandes be stimmt ist. Ist ein solches Stromtor einmal gezündet, dann bleibt es in diesem leitenden Zustand, auch wenn der Zündimpuls beendet ist.
Es erhält seine Sperrfähigkeit erst wieder, wenn der durch die Last strecke fliessende Strom kleiner als ein nahe bei Null liegender Grenzwert wird.
Die bekannte Grundschaltung eines mit derar tigen Stromtoren aufgebauten Wechselrichters ist in Fig. 1 dargestellt. Ein solcher Wechselrichter besteht aus einem Transformator 1 mit einer Sekundärwick lung 12, an deren Klemmen 121 und 122 ein. Ver braucher angeschlossen werden kann und der eine Primärwicklung 11 mit den Klemmen 111 und 112 und einer Mittelanzapfung 110 trägt.
Die äusseren Klemmen 111 und 112 der Primärwicklung sind über je ein Stromtor 21 und 22 und eine gemeinsame Glättungsdrossel 4 an den einen Pol 51 einer Gleich spannungsquelle 5 angeschlossen, deren anderer Pol 52 mit der Mittelanzapfung <B>110</B> der Primärwicklung 11 verbunden ist. Parallel zu dieser Primärwicklung liegt ein Löschkondensator 6.
Den Stromtoren 21 und 22 werden von einem Steuersatz 8 abwechselnd periodisch Zündimpulse kurzer Dauer zugeführt, so, dass immer nur eines der beiden Stromtore leitend ist. Ist beispielsweise das Stromtor 21 stromführend, dann fliesst der Strom über die Klemmen 110 und<B>111</B> der Transformator- Primärwicklung, wobei sich gleichzeitig der Lösch- kondensator 6 so auf die Spannung der Speisebat terie 5 auflädt, dass der mit der Transformator klemme 111 verbundene Kondensatorbelag negativ ist gegenüber dem mit der Klemme 112 verbundenen.
Wird danach dem Stromtor 22 ein Zündimpuls zu geführt, und damit dieses. Stromtor leitend, so dass der Strom dann die andere Teilwicklung der Primär wicklung 11 des Transformators 1 durchfliesst, dann entlädt sich gleichzeitig der Kondensator 6 über das Stromtor 21. Dieser Entladestrom ist dem über das Stromtor 21 fliessenden Laststrom entgegenge- richtet. Sobald die Differenz zwischen diesen beiden Strömen den zuvor erwähnten, nahe bei Null liegen den Grenzwert erreicht, sperrt das Stromtor 21.
Das stromführende Stromtor wird bei einer derarti gen Schaltung also immer zwangläufig dann gesperrt, wenn das bislang gesperrte Stromtor seinen Zünd- impuls bekommt und leitend wird.
.Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Ausgangsspannung eines solchen Wechselrichters abhängig von einer Steuerspannung zu verändern. Die Grösse der Ausgangsspannung eines Wechsel richters ist zunächst bestimmt durch die Grösse der Speisegleichspannung und durch die Dimensionen des Ausgangstransformators. Beide Abhängigkeiten sind jedoch wenig geeignet, die Ausgangsspannung abhängig von einer anderen Steuerspannung stetig und auch mit möglichst geringem Aufwand zu be einflussen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wurde daher bereits vorgeschlagen, das jeweils leitende Stromtor in der Mitte seines normalen Leitfähigkeitsintervalles da durch zu sperren, dass zu diesem Zeitpunkt dem gesperrten Stromtor ein Zündimpuls zugeführt wurde. Nach einer kurzen Zeit, deren Dauer von der Grösse einer Steuer- oder Regelspannung abhängig gemacht wurde, bekam das zuerst leitende, jetzt aber gesperrte Stromtor einen Zündimpuls, so dass dieses wieder in den leitenden Zustand überging und dadurch das andere Stromtor zwangläufig gesperrt wurde.
Auch diese Anordnung arbeitet nach dem be kannten Prinzip, das leitende Stromtor durch die Zündung des vorher gesperrten Stromtores zu lö schen. Der Beginn des Löschstromes durch das bis dahin leitende Stromtor ist somit bestimmt durch den Zündimpuls, der dem bislang gesperrten Strom tor zugeführt wird. Es werden daher nur Zündim- pulse benötigt, die den beiden Stromtoren abwech selnd zugeführt werden. Auf diese Weise lässt sich die Grösse der von dem Wechselrichter gelieferten Ausgangsspannung stetig steuern. Mit abnehmender Ausgangsspannung des Wechselrichters nimmt dabei aber der Grundwellengehalt der gelieferten Wechsel spannung ab und der Oberwellengehalt immer mehr zu.
Eine derartige Ausgangsspannung ist für viele Anwendungsfälle ungeeignet, vor allem dann, wenn sie eine konstante Frequenz besitzen soll.
Um diese Nachteile zu vermeiden, wird erfin dungsgemäss vorgeschlagen, die Löschung nicht durch die den Stromtoren abwechselnd zugeführten Zünd impulse, sondern durch Löschimpulse erfolgen zu lassen, deren zeitliche Lage zwischen je zwei auf einanderfolgenden Zündimpulsen von einer Steuer grösse abhängt. Dies kann beispielsweise dadurch ge schehen, dass zu jedem Stromtor ein eigener Lösch- kondensator über einen elektronischen Schalter par allel geschaltet ist und diese Schalter im gleichen Takt gesteuert werden wie die Stromtore. Dabei wird jeweils der Schalter geschlossen, der dem gerade gezündeten Stromtor parallel liegt.
Die Schalter kön nen durch Triggerimpulse (Löschimpulse) gesteuert werden, die von einem Steuersatz geliefert werden. Die Lage dieser Löschimpulse relativ zu den den Hauptstromtoren zugeführten Zündimpulsen kann durch eine diesem Steuersatz zugeführte Steuerspan nung verändert werden.
Unter < ;Löschimpuls ist im folgenden ein Im puls zu verstehen, durch den jeweils ein Stromtor nur vorübergehend gezündet wird, um so durch Entla dung eines Kondensators ein anderes Stromtor zu löschen.
Ein weiterer Lösungsweg besteht darin, jedem Hauptstromtor einen Löschkondensator über die Se kundärwicklung eines Hilfstransformators parallel zu schalten, dessen Primärwicklung die zur Löschung des Stromtores notwendige Energie zugeführt wird. Sie kann ebenfalls von einem Steuersatz geliefert werden, der hinreichend energiereiche Steuerimpulse liefert, deren Anstiegsflanke relativ zu den den Hauptstromtoren zugeführten Zündimpulsen abhän gig von einer Steuerspannung variiert werden kann.
Ein weiterer Lösungsweg im Rahmen der Er findung besteht darin, einen einzigen elektronischen Schalter zu verwenden und diesen über je einen Löschkondensator beiden Hauptstromtoren parallel zu schalten. Dieser Schalter muss dann so gesteuert werden, dass er jeweils um eine- Zeit dt nach jedem den Hauptstromtoren zugeführten Zündimpuls ge schlossen wird. Hierzu können Triggerimpulse ver wendet werden, die von einem getrennten Steuersatz geliefert oder von den den Hauptstromtoren zuge führten Zündimpulsen abgeleitet werden.
Zur Aufladung der Löschkondensatoren kann der Transformator mit einer zusätzlichen Wicklung versehen sein, an die ein Gleichrichter angeschlossen ist, dessen Gleichspannungsklemmen über einen Wi derstand dem elektronischen Schalter parallel ge schaltet sind. Der Aufladevorgang einer derartigen Anordnung lässt sich dadurch verbessern, dass an die zusätzliche Wicklung des Transformators eine Sätti gungsdrossel gegebenenfalls über ein RC-Glied ange schlossen ist und die Wechselspannungsklemmen des erwähnten Gleichrichters der Wicklung der Sätti gungsdrossel parallel geschaltet werden.
Eine andere Möglichkeit, den Umladevorgang der Löschkondensatoren zu verbessern besteht darin, dem elektronischen Schalter eine Drossel über ein Ventil parallel zu schalten. Diese Drossel bildet zu sammen mit einem der beiden Löschkondensatoren einen Serienschwingkreis, wenn eines der beiden Hauptstromtore leitend ist. Zur weiteren Verbesse rung kann man noch den Verbindungspunkt der beiden Löschkondensatoren über einen Widerstand mit der Mittelanzapfung der Transformator-Primär- wicklung verbinden. Dadurch lassen sich die bei dem Umladevorgang der Kondensatoren auftretenden Verluste ausgleichen.
Man kann aber auch ohne die dem elektronischen Schalter parallel liegende Drossel auskommen. Man muss dann aber den Verbindungspunkt der beiden Löschkondensatoren über einen steuerbaren Wider stand, vorzugsweise einen elektronischen Schalter, wie Transistor oder Stromtor, an die Mittelanzap- fung der Transformator-Primärwicklung anschliessen. Dieser Schalter muss dann so gesteuert werden, dass er immer eingeschaltet wird, wenn einem der beiden Stromtore ein Zündimpuls zugeführt wird, und dass er geöffnet wird, wenn der entsprechende Lösch- kondensator aufgeladen ist.
Als elektronischer Schalter kann mit Vorteil ein Hilfsstromtor verwendet werden. Die Zündimpulse für die Hilfsstromtore wird man zweckmässig von den Zündimpulsen ableiten, die den Hauptstromtoren zugeführt werden. Es empfiehlt sich daher einen Steuersatz zu verwenden, der die Zündimpulse für die Hauptstromtore und für die Hilfsstromtore gleich zeitig liefert.
Eine weitere Ausbildung der Erfindung besteht noch darin, dass die Hauptstromtore über Sperrven tile an die Primärwicklung des Transformators ange schlossen sind, und dass die Löschkondensatoren je weils zwischen dem Verbindungspunkt eines Strom tores und eines Sperrventils angeschlossen sind. Auf diese Weise wird eine Entladung der Löschkondensa- toren über die Transformatorwicklung verhindert.
Die beschriebenen Ausführungsformen der Er findung lassen sich dadurch weiter vereinfachen, dass der zur Unterbrechung der jeweils fliessenden Halb welle erforderliche Löschimpuls zu dem gewünsch ten Zeitpunkt als Zündimpuls auf das (oder ein) andere (anderes) Stromtor gegeben wird, so dass dieses gezündet wird und dadurch die Löschung des bis dahin den Strom führenden Stromtores bewirkt, worauf dieses - nur zu Löschzwecken gezündete Stromtor durch den durch die Induktivität des Last kreises aufrechterhaltenen Laststrom wieder gelöscht wird und erst in dem durch die Frequenz des zu erzeugenden Wechselstromes bestimmten Zeitpunkt durch einen neuen Impuls (Zündimpuls) wieder ge zündet wird.
Durch an Wechselrichter angeschlossene Blind stromverbraucher können unerwünschte Spannungs überhöhungen hervorgerufen werden. Um solche zu vermeiden, wurde vorgeschlagen, die Stromtore durch antiparallel geschaltete, sogenannte Blindstromven- tile, zu überbrücken, die z. B. direkt zwischen den einen Pol der Spannungsquelle und der mit dem Transformator verbundenen Elektrode der Stromtore geschaltet sind.
Bei einem Ausführungsbeispiel nach vorliegender Erfindung kann der durch den Verbraucher hervor gerufene Blindstrom zum Löschen des durch einen Löschimpuls gezündeten Stromtores dadurch heran gezogen werden, dass in den Stromkreis der Blind stromventile ein Schwellwertglied geschaltet wird, so dass über diese Zweige erst dann Blindstrom fliessen kann, wenn er einen bestimmten Grenzwert erreicht hat, und dass der mit beiden Stromtoren in Serie liegenden Strombegrenzungsdrossel ein Ventil par allel geschaltet ist, durch das der Blindstrom über die Stromtore fliessen kann, solange er unterhalb des erwähnten Grenzwertes liegt.
Anstelle des Schwell- wertgliedes kann im Stromkreis der Blindstromdioden im einfachsten Falle ein einfacher oder auch ein nichtlinearer Widerstand, vorzugsweise aber eine Ze- nerdiode, verwendet werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt. Wie in Fig. 1 ist dort mit 1 ein Ausgangstransformator bezeichnet, der eine Sekun därwicklung 12 trägt, an die über die Klemmen 121 und 122 ein nicht gezeichneter Verbraucher ange schlossen ist. Der Transformator trägt eine Primär wicklung 11 mit den Klemmen<B>111</B> und 112, die über je ein Sperrventil (31, 32) und je ein Haupt stromtor (21, 22) und über eine gemeinsame Drossel 4 an den einen Pol 51 eine Gleichspannungsquelle 5 angeschlossen ist, deren anderer Pol 52 mit einer Mittelanzapfung 110 der Wicklung 11 verbunden ist.
Zwischen dem Verbindungspunkt<B>301</B> des Strom tores 21 und des Sperrventils 31 und den Verbin dungspunkt 302 des Stromtores 22 und des Sperr ventils 32 sind zwei vorzugsweise gleich grosse, in Serie geschaltete Löschkondensatoren 61 und 62 angeschlossen. Ein Hilfsstromtor 71 ist zwischen der die beiden Kondensatoren 61 und 62 verbindenden Leitung 60 und der gemeinsamen, von den beiden Stromtoren zur Speisequelle führenden Leitung 40 angeschlossen. Parallel zu diesem Hilfsstromtor liegt in Serie mit einem Ventil 73 eine Drossel 72. Die Leitung 60 ist ausserdem über einen Widerstand 74 mit der Mittelanzapfung 110 der Primärwicklung 11 verbunden.
Die äusseren Klemmen 111 und 112 der Primärwicklung 11 sind ausserdem über je ein Blindstromventil 91 bzw. 92 direkt mit dem einen Pol 51 der Gleichspannungsquelle 5 verbunden.
Die Steuerstrecken des Hauptstromtores 21 und 22 sind an zwei Ausgänge eines Steuersatzes 8 an geschlossen, der abwechselnd an seinen beiden Aus gängen Zündimpulse liefert, deren zeitlicher Abstand konstant ist, und die Frequenz der vom Wechselrich ter gelieferten Spannung bestimmt. Der Ausgang eines zweiten Steuersatzes 81 ist mit der Steuer strecke des Hilfsstromtores 71 verbunden. Dieser Steuersatz liefert Zündimpulse, deren Folgefrequenz doppelt so gross ist wie die Folgefrequenz der Zünd- impulse, die von einem der beiden Ausgänge des Steuersatzes 8 geliefert werden.
Die Phasenlage der Zündimpulse des Steuersatzes 81 ist jedoch gegen über den von dem Steuersatz 8 gelieferten Zündim- pulse mit Hilfe einer über die Leitung 811 zugeführ ten Steuerspannung veränderbar. Soll beispielsweise die vom Wechselrichter gelieferte Ausgangsspannung auf einen konstanten Wert geregelt werden, dann wird, wie in Fig. 2 dargestellt, diese Leitung 811 mit dem Ausgang des Wechselrichters verbunden.
Wie bereits hervorgehoben, empfiehlt es sich, die beiden Steuersätze 8 und 81 zu einer Einheit zu sammenzufassen und die dem Hilfsstromtor 71 zu- geführten Zündimpulse durch geeignete Verzöge rungsschaltungen von den den Hauptstromtoren 21 und 22 zugeführten Zündimpulsen abzuleiten.
Zur Funktion des Wechselrichters: Es wird zu nächst angenommen, dass das Stromtor 21 durch einen Zündimpuls in den leitenden Zustand gebracht ist. Es fliesst dann ein Strom von der positiven Klemme 52 der Quelle 5 über Klemme 110, eine Teilwicklung der Primärwicklung 11 des Transfor mators 1 die Klemme 111, ein Sperrventil 31, das Stromtor 21 und über die Glättungsdrossel 4 zur Klemme 51 der Quelle 5. Zugleich laden sich die beiden Löschkondensatoren 61 und 62 über die andere Teilwicklung des Transformators und das Sperrventil 32 so auf, dass der mit 301 bezeichnete Punkt negativ ist gegenüber dem mit 60 bezeichne ten.
Wird jetzt dem Hilfsstromtor 71 mit einer Ver zögerung von 4t nach dem Stromtor 21 zugeführ ten Zündimpuls ebenfalls ein Zündimpuls zugeführt, dann entlädt sich der Kondensator 61 über das Hilfsstromtor 71 und das Hauptstromtor 21.
Der Entladestrom wirkt in dem Stromtor 21 als Lösch- strom, indem er den durch dieses Stromtor fliessenden Laststrom kompensiert. Sobald die Differenz dieser Ströme einen nahe bei Null liegenden Grenzwert un terschreitet, sperrt das Stromtor 21. Während dieses Vorganges bleibt die Ladung des Kondensators 62 unbeeinflusst.
Wird jetzt das Stromtor 22 durch einen Zündimpuls in den leitenden Zustand gebracht, dann fliesst der Laststrom durch die andere Teil wicklung der Transformator-Prirriärwicklung 11, so dass an dessen Sekundärwicklung 12 eine Spannung entsteht, deren Polarität umgekehrt ist verglichen mit der Spannung, die von dieser Wicklung geliefert wurde, während das Stromtor 21 durchgesteuert war. Sobald das Stromtor 22 gezündet hat, entlädt sich der Kondensator 62 über das Ventil 73 und die Drossel 72 und bildet mit dieser einen Resonanz kreis.
Auf Grund der entstehenden Schwingung lädt sich der Kondensator 62 wieder mit umgekehrter Polarität auf. Er kann sich dann jedoch nicht mehr entladen, weil die Schwingung wegen der Sperrwir kung des Ventils 73 einen Stromfluss in umgekehrter Richtung nicht zulässt. Die Ladung am Kondensator 62 hat jetzt die Polarität, die erforderlich ist, um das Stromtor 22 zu löschen. Dies geschieht dann, wenn dem Hilfsstromtor wiederum ein Zündimpuls zugeführt wird.
Sobald der Strom 22 auf Grund des Entladestromes sperrt, kann auch durch das Hilfsstromtor kein Strom mehr fliessen, so dass auch dieses wieder in den Sperrzustand übergeht, und sich das beschriebene Spiel von neuem wiederholen kann. Die bei dem Umladevorgang auftretenden Verluste lassen sich durch den gestrichelt eingezeich neten Widerstand 74 kompensieren. Dieser Wider stand sorgt dafür, dass sich die Kondensatoren nach jedem Arbeitstakt auf die volle Batteriespannung umladen können.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, das im wesentlichen mit den Fig. 1 und 2 übereinstimmt und insoweit auch mit gleichen Be zugszeichen versehen ist. Davon abweichend ist je doch hier der Minuspol der Spannungsquelle 5 über ein Schwelbvertglied 34 und ein Ventil 312 mit der Transformatorklemme 111 und über ein Ventil 311 mit der Transformatorklemme 112 verbunden. Die Begrenzungsdrossel 4 ist ausserdem durch ein Ventil 33 überbrückt.
Den Steuerstrecken der Stromtore 21, 22 wer den über die Klemmen Z1 und Z2 abwechselnd in konstantem Zeitabstand Zündimpulse zugeführt. Wenn das Stromtor 21 durch einen über Z1 zuge- führten Zündimpuls leitend wird, wird der Trans formator in der einen Richtung magnetisiert und in dessen Sekundärwicklung 12 eine Spannung in duziert. Gleichzeitig lädt sich der Kondensator 6 mit der angedeuteten Polarität auf.
Wird jetzt zu einem einstellbaren Zeitpunkt - aber noch vor dem über Z2 zugeführten Zündimpuls - dem Stromtor 22 über L1 ein Löschimpuls zugeführt, dann zündet dieses Stromtor und der Kondensator 6 entlädt sich über die beiden Stromtore 21, 22. Dadurch wird das Stromtor 21 gelöscht. Infolge der Induktivität des Belastungskreises fliesst jedoch der Strom noch über diesen Zeitpunkt hinaus weiter, wodurch in den Primärwicklungen 11 und 13 eine Spannung indu ziert wird.
In dem abgeschalteten Stromkreis (Strom tor 21) addiert sich diese zu der Spannung der Batterie 5, während an dem Stromtor 22 in dem anderen Stromkreis die Differenz dieser Spannungen liegt. Da das Stromtor 22 kurz zuvor durch den Löschimpuls L1 gezündet wurde, kann daher ein Ausgleichsstrom von der Klemme 110 über die Batterie 5, das Ventil 33 und das Stromtor 22 zurück zur Transformatorklemme 112 fliessen. Durch diesen Strom wird das Stromtor 22 gelöscht. Danach kann der Ausgleichsstrom über das Schwellwertglied 34 und die Diode<B>311</B> weiter fliessen, falls er noch die hierzu erforderliche Grösse hat.
Bei einem derartigen Wechselrichter entsteht so mit eine Rechteckspannung, bei der die Abstiegs flanke der positiven Halbwelle gegenüber der An stiegsflanke der negativen Halbwelle verschoben wer den kann. Filtert man die verhältnismässig geringen Oberwellenanteile - verglichen mit der früher vor geschlagenen Lösung - heraus, dann ergibt sich eine Wechselspannung, deren Frequenz von der Frequenz der den Hauptstromtoren zugeführten Zündimpulse abhängt und deren Amplitude mit Hilfe einer dem Steuersatz 81 zugeführten Steuerspannung kontinuier lich verändert werden kann.
Wird diese Steuerspan nung von der vom Wechselrichter gelieferten Span nung abgeleitet, dann lässt sich dessen Ausgangs spannung auf einen konstanten Wert einregem, der unabhängig von der Belastung und der Speisespan nung ist.
Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbei spielen wurde die Phasenlage der Löschimpulse, also z B. der dem Hilfsstromtor zugeführten Zündimpulse, abhängig von einer Steuerspannung relativ zu den den Hauptstromtoren zugeführten Zündimpulse ver ändert. Man kann aber auch die Löschimpulse in einem festen periodischen Rhythmus den Haupt stromtoren zuführen und die diesen Stromtoren zu geführten Zündimpulse abhängig von einer Steuer spannung verschieben.