Vorrichtung zur Erzeugung ungedämpfter elektrischer Schwingungen aus einer Gleichstromquelle
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung ungedämpfter elektrischer Schwingungen aus einer Gleichstromquelle, wobei die Gleichstromquelle, ein steuerbarer Halbleitergleichrichter und ein aus einem Kondensator und einer parallel zu diesem angeordneten Induktivitat bestehender Speicherkreis in Serie zueinander geschaltet sind.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung soll als Wechselstromquelle für Verbraucher mit einem kleinen Leistungsfaktor benutzt werden. Solche Verbraucher können zum Beispiel elektromagnetische Pumpen für geschmolzene Metalle, Geräte für die Hochfrequenzhärtung, Geräte für die Einengung von Plasma oder Geräte für die Schwemmaufbereitung sein.
Bei einer bekannten Vorrichtung (Wandler) für Verbraucher mit kleinem Leistungsfaktor wurde dieser Leistungsfaktor mittels eines Kompensationskondensators verbessert. Ein anderer bekannter Wandler enthält einen Speicherkreis, der aus einer parallelen Anordnung zwischen einem Kondensator und einer Induktivität besteht.
Dieser Speicherkreis ist mit der Gleichstromquelle, einem steuerbaren Halbleitergleichrichter und einem Ladekondensator verbunden. Der steuerbare Halbleitergleichrichter wird mit der Frequenz gesteuert, welche in bestimmter Beziehung zu der Resonanzfrequenz des Speicherkreises steht. Hierdurch ist der Durchschaltezustand des Halbleitergleichrichters gleich oder kleiner als eine Halbwelle der Resonanzfrequenz des Speicherkreises. Bei diesem zuletzt erwähnten Wandler liegt der Einschwingvorgang zweckmässig zwischen einer halben und einer ganzen Schwingung während des Startvorganges, wodurch der Strom der Hochspannung eine sehr unterschiedliche Phasenbeziehung zum eingeschwungenen Zustand erhält. Aufgrund dieser Vorgänge ergibt sich ein Fehler beim Start des Wandlers.
Die Erfindung verhindert diesen Fehler und ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Hilfsladekreis zum Aufladen des Kondensators des Speicherkreises vor dem Zünden des Halbleitergleichrichters vorgesehen ist, wobei der Hilfsladekreis so mit dem Speicherkreis verbunden oder gekoppelt ist, dass die Kondensatoraufladung mit der gleichen Polarität erfolgt wie diejenige durch den Halbleitergleichrichter.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die Schaltungsanordnung des Wandlers,
Fig. 2 die graphische Darstellung verschiedener Wellenzüge von Spannungen und Strömen an verschiedenen Stellen der in Fig. 1 gezeigten Schaltungsanordnung,
Fig. 3 einen Zündkreis für den Wandler,
Fig. 4 die graphische Darstellung verschiedener Wellenzüge elektrischer Grössen während des Startvorganges,
Fig. 5 eine graphische Darstellung von Wellenzügen elektrischer Grössen im eingeschwungenen Zustand,
Fig. 6 eine graphische Darstellung zur Erklärung der Arbeitsweise der in Fig. 1 gezeigten Schaltungsanordnung,
Fig. 7 eine Schaltungsanordnung des in Fig. 3 gezeigten Zündkreises mit dem in Fig. 1 gezeigten Wandler,
Fig. 8 eine Modifikation der in Fig. 7 gezeigten Schaltungsanordnung,
Fig.
9 einen Stromkreis als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
Fig. 10 eine graphische Darstellung zur Erklärung der Wirkungsweise des in Fig. 9 gezeigten Ausführungsbeispiels.
Gemäss Fig. list die Gleichstromquelle 1 mit dem Hilfskondensator 2 und dem Speicherkreis 3, welcher in paralleler Anordnung aus dem Kondensator 4 und der Induktivität 5 besteht, über den steuerbaren Halbleitergleichrichter 6 mit der Steuerelektrode 7 sowie über die Ladeinduktivität 8 verbunden. Dieser Stromkreis wird als Hauptkreis 9 bezeichnet.
Die Induktivitäten 5 und 10 sind magnetisch miteinander gekuppelt. Der Startkreis 14 besteht aus der Reihenschaltung des Kondensators 13, des normalerweise geöffneten Schalters 12, der Halbleiterdiode 11 und der Induk- tivitätsspule 10.
Bei der Verwendung dieser Schaltungsanordnung der Fig. 1 für elektromagnetische Pumpen oder für die Hochfrequenzhärtung usw. ist die Induktivität 5 als Spule ausgebildet und in dem betreffenden Gerät angeordnet. Der Kondensator 4 dient zur Verbesserung des Leistungsfak tors. Die Diode 11 ist so in diesem Stromkreis angeordnet, dass sie mit ihrer Kathode am einen Ende der Spule 10 und mit ihrer Anode am Schalter 12 liegt.
Die Arbeitsweise des in Fig. 1 dargestellten Hauptkreises 9 wird anhand der Fig. 2 näher beschrieben. Das Steuersignal A wird auf die Steuerelektrode 7 des Halbleitergleichrichters 6 gegeben, so dass dieser durchgeschaltet wird. Die auf dem Hilfskondensator 2 befindliche Ladung gelangt nun auf den Kondensator 4 des Speicherkreises 3 über den durchgeschalteten Halbleitergleichrichter 6 und die Ladeinduktivität 8.
Es sei nun angenommen, dass die Kondensatoren 2 und 4 die Kapazitätswerte KIlF und CuF aufweisen, wobei K > C ist. Die Induktivitäten 8 und 5 sollen die Werte luHy und LpHy aufweisen, wobei l > L ist. Unter dieser Annahme zündet der Halbleitergleichrichter 6 zur Zeit T1 und wird zur Zeit T2 gesperrt. Zu dieser Zeit ist der Strom über die Ladeinduktivität nicht ausreichend.
Der Kondensator 4 hat jedoch eine Spannung erhalten, welche bereits über der Spannung der Quelle 1 liegt. Zur Zeit T2 ist die elektrische Energie im Speicherkreis 3 vorhanden und im Kondensator 4 nach Sperren des Gleich- richters 6 gespeichert. Diese in dem Kondensator 4 gespeicherte Energie wird auf die Induktivität 5 und wieder zurück zum Kondensator 4 gegeben. Die Frequenz der Schwingungen des Speicherkreises 3 ergibt sich aus den Werten des Kondensators 4 und der Induktivität 5. Unter diesen Umständen besitzt der über den Halbleitergleichrichter 6 fliessende Strom den Wellenzug B. Die Spannung des Kondensators 4 weist den Wellenzug C auf. Der durch den Kondensator 4 fliessende Strom ist mittels des Wellenzuges D der Fig. 2 gezeigt.
Wegen des Ohmschen Anteils in der Induktivität 5, welche zum Beispiel in einem Gerät für die Hochfrequenzhärtung angeordnet ist, ergibt sich eine bestimmte Dämpfung der elektrischen Energie während der Schwingungen des Speicherkreises 3. Daher ist die Spannung am Kondensator 4 zu derjenigen Zeit kleiner, wo die elektrische Energie von Induktivität 5 zum Kondensator 4 fliesst, als zur Zeit T2 (Sperrung des Halbleitergleichrich ters 6).
Zur Verhinderung dieses Spannungsabfalles am Kondensator 4 wird wiederum ein Steuersignal auf die Steuerelektrode 7 des Halbleitergleichrichters 6 gegeben. Hiernach läuft der gleiche Vorgang wie bereits beschrieben ab. Hierbei wird die Spannung am Kondensator 4 zur Zündung des Halbleitergleichrichters 6 verwendet, sobald sie einen vorbestimmten Wert erreicht hat. Durch diese Folgesteuerung ergibt sich die in Fig. 2 gezeigte Schwingung.
Bisher wurde die Abgabe eines einzigen Steuersignales auf den steuerbaren Halbleitergleichrichter 6 in jeder Schwingung des Wellenzuges C der Spannung am Kondensator 4 anhand der Fig. 2 beschrieben. Es wird hier darauf hingewiesen, dass das Steuersignal in jeder anderen Schwingung des Wellenzuges C auf den Halbleitergleichrichter in Übereinstimmung mit dem besonderen Verbraucher gegeben werden kann. Auch kann bei Bedarf die Beziehung K < C anstelle der bisher beschriebenen Beziehung K > C Verwendung finden. Ausserdem kann der Hilfskondensator 2 entfallen, sofern die Stromquelle 1 einen genügend kleinen Innenwiderstand besitzt. Weiterhin kann die Stromquelle 1 über eine entsprechende Impedanz mit dem Hilfskondensator 2 verbunden sein. Diese Impedanz ist nicht gezeigt.
Aus dem Vorhergehenden kann also entnommen werden, dass die elektrische Energie von der Stromquelle 1 in den Speicherkreis 3 nur während der positiven Halbwelle der Spannung am Kondensator 4 fliesst Selbstverständlich kann die Energie während der negativen Halbwelle der Kondensatorspannung oder während jeder positiven und negativen Halbwelle in den Speicherkreis 3 fliessen.
Die Zündung des Halbleitergleichrichters 6 durch das Steuersignal muss synchron zur Resonanzfrequenz des Speicherkreises 3 erfolgen. Die Steuersignale werden von einem bekannten, selbsterregten oder fremderregten Generator erzeugt.
Man ersieht, dass der Speicherkreis eine Frequenzänderung erfährt, je nachdem ob ein Verbraucher oder ein Widerstand als metallisches Werkstück in der Heizspule des Gerätes für die Hochfrequenzhärtung vorhanden ist oder nicht.
In der Fig. 3 ist ein eigenerregter Zündkreis für den Halbleitergleichrichter gezeigt. An der Eingangsquelle 15 wird ein Spannungssignal entsprechend der Spannung am Kondensator 4 angelegt. Der Impulsgenerator 16 erzeugt daraufhin einen Impuls sobald das Spannungssignal an der Eingangsklemme 15 sich dem Werte Null nähert Der Steuersignal-Generator 17 ermittelt die Polarität des Wellenzuges an der Eingangsklemme 15 und erzeugt anhand einer vorbestimmten Polarität das Steuersignal. Der Generator 17 erzeugt in Zusammenarbeit mit dem Hauptkreis 9 der Fig. 1 nur dann ein Steuersignal, wenn die Spannung am Kondensator 4 positiv ist. Dem Generator 17 ist eine Impulsformstufe 18 nachgeschaltet. Am Ausgang der Impulsformstufe 18 befindet sich die Ausgangsklemme 19.
Nach dem Start des Wandlers gelangt ein Startsignal, welches von einer nicht gezeigten Signalquelle über die Startklemme 20 gegeben wird, auf die Impulsformstufe 18.
Wenn der Wandler der Fig. 1, welcher mit dem Zündkreis der Fig. 3 verbunden ist, gestartet werden soll, wird das Startsignal an die Startklemme 20 gegeben, so dass die Impulsformstufe 18 angesteuert werden kann. An der Ausgangsklemme 19 erscheint zur Zeit T1 (Fig. 2) das Steuersignal.
Uber die Steuerelektrode 7 steuert das Steuersignal den Halbleitergleichrichter 6 in seinen leitenden Zustand.
Der Strom mit dem Wellenzug B der Fig. 2 fliesst durch den gezündeten Halbleitergleichrichter 6. Am Kondensator 4 ergibt sich die Spannung mit dem Wellenzug C der Fig. 2.
Der Wellenzug C gelangt nun auf die Eingangsklemme 15 zum Impulsgenerator 16, welcher auf den Teil des Wellenzuges C anspricht, der sich dem Werte Null nähert.
Hierdurch wird ein Impuls im Generator 16 erzeugt Der Steuersignalgenerator 17 ermittelt die Polarität der Spannung am Kondensator 4 und gibt ein Steuersignal bei positiver Spannung ab. Das Steuersignal wird in der Impulsformstufe 18 in die entsprechende Signalform gesetzt. Zur Zeit T2 ergibt sich an der Ausgangsklemme 19 das entsprechend geformte Signal.
Der in Fig. 3 gezeigte Zündkreis wird im Zusammenhang mit der Fig. 7 später noch näher beschrieben.
Beim Start des Hauptkreises 9 ohne den Zündkreis 14 ergibt sich am Kondensator 4 eine Spannung V mit dem Wellenzug A. Dies ist in Fig. 4 gezeigt. Durch die Induktivität 5 fliesst der Strom i mit dem Wellenzug B. Die Spannung mit dem Wellenzug C ergibt sich zwischen der Anode und der Kathode des Hauptleitergleichrichters 6. Im eingeschwungenen Zustand haben der Kondensator 4, die Induktivität 5 und der Halbleitergleichrichter 6 die Wellenzüge, wie sie in der Fig. 5 gezeigt sind. Die Bezeichnungen der graphischen Darstellung der Fig. 5 sind die gleichen wie in der graphischen Darstellung der Fig. 4.
Es ist bekannt, dass der Halbleitergleichrichter 6 im Hauptkreis 9 während eines vorbestimmten Zeitintervalles eine Umkehrspannung aufweist. Dieses Zeitintervall liegt nach der Sperrung des Halbleitergleichrichters bzw. nach dem in den Fig. 4 und 5 gezeigten Punkt b. Die Fig. 5 zeigt, dass im eingeschwungenen Zustand am Halbleiter gleichrichter während einer längeren Zeit T die Umkehr spannung angelegt ist. Beim Start wird infolge des Nicht vorhandenseins der elektrischen Energie für den Speicher kreis 3 die Dauer der an den Halbleitergleichrichter ange legten Umkehrspannung auf das extrem kurze Intervall Ts der Fig. 4 begrenzt. Dies lässt sich durch die Betrachtung der Phasenbeziehung zwischen dem Strom und der Span nung erklären, welche an den Halbleitergleichrichter ge legt werden.
Die Fig. 4, welche den Start graphisch darstellt, zeigt, dass nach der Zeit b ein Strom von ausreichendem, gros sem und positivem Wert über die Induktivität 5 fliesst.
Dies bedeutet, dass die elektrische Energie des Kondensa tors 4 sehr rasch in die Induktivität 5 fliesst. Andererseits zeigt die Fig. 5, welche den eingeschwungenen Zustand graphisch darstellt, dass nach der Zeit b die Induktivität 5 weiterhin zusätzliche elektrische Energie zum Kondensator 4 gibt, wodurch die Spannung am Kondensator 4 weiterhin ansteigt. Dies erlaubt das Anlegen einer hohen Umkehrspannung VR an den Halbleitergleichrichter 6 während einer langen Zeit.
Aus dem bisher Gesagten ergibt sich, dass der Hauptkreis 9 der Fig. 1 eine kürzere Zeit für die Umkehrspannung während des Startens besitzt, als während des eingeschwungenen Zustandes. Dies kann sich nachteilig auf den gesamten Betrieb auswirken.
Gemäss Fig. 1 sei nun angenommen, dass der Schalter.
12 des Zündkreises 14 geschlossen wird bevor das Steuersignal auf den Halbleitergleichrichter 6 gegeben wird. In diesem Falle fliesst durch die Spule 10 der Strom iS nur während der in Fig. 6 mit A bezeichneten Halbwelle. Sobald der Halbleitergleichrichter 6 zur Zeit ts gezündet wurde oder nachdem das gesamte System sich dem eingeschwungenen Zustand genähert hat, kann der Halbleitergleichrichter 6 gezündet werden. Hierdurch kann die Umkehrspannung an den Halbleitergleichrichter während einer genügend langen Zeit T gemäss Fig. 6, D angelegt werden.
Vor Schliessen des Schalters 12 bekommt der Kondensator 13 eine ausreichende Spannung. Das Schliessen des Schalters 12 bewirkt einen Strom is (Fig. 6, A) durch die Spule 10. Der Strom fliesst während einer Halbwelle vorerst über die Spule 5 in derjenigen Richtung, dass ein durch die Induktivität 5 fliessender Strom, der mit dem Strom iS induziert wird, in der gleichen Richtung fliesst wie der durch die Induktivität entsprechend der Leitfähigkeit des Halbleitergleichrichters 6 fliessende Strom.
Wenn der Schalter 12 als steuerbarer Halbleitergleichrichter ausgebildet ist, kann die Diode 11 entfallen. Der Schalter 12 kann auch mechanisch ausgebildet sein, sofern der Strom iS über die Spule 10 während einer kleinen Zeit nach dem Start fliessen kann. Ausserdem entfällt auch die Diode 11.
Die Fig. 7 zeigt eine Ausführung mit dem Zündkreis der Fig. 3 und der Schaltungsanordnung der Fig. 1. Der obere Teil der Fig. 7 ist mit der Schaltungsanordnung der Fig. 1 identisch. Die einzige Ausnahme besteht darin, dass der Verbraucher als Widerstand 21 gezeigt ist und parallel zum Kondensator 4 des Speicherkreises 3 angeordnet ist. Ferner ist der Kondensator 13 über einen Ladewiderstand 22 mit der Gleichstromquelle 23 verbunden.
Gemäss der Fig. 7 ist der Widerstand 21 am Widerstand 24, an der Halbleiterdiode 25 und am Kondensator 26 angeschlossen. Die Diode 25 ist so gepolt, dass der Strom vom Widerstand 24 zum Kondensator 26 fliessen kann. Am Kondensator 26 ist eine spannungsbegrenzende Zenerdiode 27 vorgesehen, welche die Spannung am Kondensator 26 auf einem vorbestimmten Wert hält und somit diesen vor zu hohen Spannungen schützt. Der Kondensator 26 wird von einem normalerweise offenen Schalter 28 überbrückt. Dieser Schalter wird während einer Betriebsunterbrechung des Wandlers geschlossen.
Die Anode des steuerbaren Halbleitergleichrichters 29 liegt am Verbindungspunkt der Diode 25 und des Kondensators 26. Seine Kathode liegt an der Anode der Halbleiterdiode 30, deren Kathode wiederum an der Anode der Diode 25 liegt. Die Steuerelektrode des Halbleitergleichrichters39 liegt an der Kathode der Halbleiterdiode 31. Die Anode der Diode 31 ist am Verbindungspunkt des Kondensators 26 und des Verbrauchers 21 über den Widerstand 32 angeschlossen. Die Kathode des steuerbaren Halbleitergleichrichters 29 ist mit der Halbleiterdiode 33 an deren Anode angeordnet. Anschliessend folgt der Impulstransformator 34. Der Impulstransformator 34 enthält die Primärwicklung 35, welche mit der Diode 33 und dem Verbraucher 21 verbunden ist, und die Sekundärwicklung 36, welche mit der Steuerelektrode und der Kathode des steuerbaren Halbleitergleichrichters 6 verbunden ist.
Die Bauteile 24 bis 36 bilden einen Stromkreis für die Selbsterregung und für die Betriebsunterbrechung des Wandlers. Dieser Stromkreis dient zur Ansteuerung des steuerbaren Halbleitergleichrichters 6 mit einem niedrigen Energiepegel, so dass der Halbleitergleichrichter 6 zu der Zeit gezündet wird, in welcher die Spannung V am Kondensator 4 positiv wird. Aus der Fig. 6 kann gesehen werden, dass einmal der Schalter 12 geschlossen ist und die selbsterregte Schwingung ungedämpft ist.
Es sei nun angenommen, dass der Schalter 12 zur Aufladung des Kondensators 4 im Speicherkreis 3 geschlossen ist. Der Kondensator 4 ladet sich mit der Polarität auf, welche oben links des Kondensators 4 dargestellt ist (Fig. 7 > . Die obere Kondensatorplatte ist positiv gegen über der unteren Kondensatorplatte. Die Kondensatorspannung wird nun auf die Induktivität 5 gegeben. Die Polarität am Kondensator 4 kehrt sich nun um. Dies ist in der Fig. 7 in Klammern gezeigt. Die obere Kondensatorplatte ist nun negativ gegenüber der unteren Kondensatorplatte. Dieser Polaritätswechsel bewirkt, dass der Kondensator 26 über den Widerstand 24 und die Diode 25 aufgeladen wird.
Wenn der Kondensator 4 eine positive Spannung aufweist oder wenn er wieder zu seiner ursprünglichen Spannung zurückkehrt, fliesst ein Strom über den Widerstand 32, die Diode 31, die Steuerelektrode und Kathode des Halbleitergleichrichters 29, die Diode 30 und den Widerstand-24-und zündet den Halbleitergleichrichter 29. Dieser beschriebene Vorgang wiederholt sich, so dass die selbsterregte Schwingung ungedämpft ist.
Das Schliessen des Schalters 28 schützt den Kondensator 26 vor dem Aufladen durch die Energie, welche zum Zünden des Halbleitergleichrichters 6 dient.
Die Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Stromkreises für das Zünden und für die Betriebsunterbrechung gemäss Fig. 7. Für die gleichen -Bauteile sind auch die gleichen Bezugszahlen gewählt worden. Die Diode 30 liegt am Verbindungspunkt P des Halbleitergleichrichters 29 und der Diode 33 über den Vorspannwiderstand 37.
Die Diode 31 ist durch die Quelle 38 mit veränderlichem Gleichstrom vorgespannt. Ansonsten ist diese Anordnung identisch mit derjenigen in der Fig. 7. In der Fig. 8 sind die Klemmen a und ss am in Fig. 7 gezeigten Verbraucher bzw. Widerstand 21 angeschlossen. Die beiden anderen Klemmen 8 und y sind mit der Steuerelektrode und der Kathode des Halbleitergleichrichters 6 der Fig. 7 verbunden. Die Quelle 38 kann, sofern es gewünscht wird, zwischen dem Widerstand 37 und dem Verbindungspunkt P vorgesehen werden.
Zur Verhinderung eines übermässigen Stromflusses über den.steuerbaren Gleichrichter 29 sind Strombegrenzungskreise zwischen dem Verbindungspunkt X der Diode 25 und des Kondensators 26 und dem Verbindungspunkt Y des Widerstandes 24 und der Diode 25 sowie zwischen dem Verbindungspunkt X und dem Verbindungspunkt Z des Kondensators 26 und der Klemme ss vorgesehen. Ausserdem ist im Nebenschluss ein PNPN-Halbleiter zwischen dem Verbindungspunkt P und dem Verbindungspunkt der Quelle 38 und des Widerstandes 32 vorgesehen.
Dieser Halbleiter ist nicht dargestellt.
Aus dem Vorhergehenden ist ersichtlich, dass mit der Erfindung ein Wandler geschaffen worden ist, welcher besonders gute Starteigenschaften infolge der induktiven Kupplung zwischen der Spule 10 und der Induktivität 5 aufweist und fernerhin die elektrische Energie auf den Speicherkreis 3 über die Spule 10 vor dem Startvorgang des Wandlers gibt
Die Fig. 9 zeigt eine weitere Modifikation, welche für eine bessere Stabilisierung des Startvorganges geschaffen wurde. Der Speicherkreis 3 liegt an der Diode 11 über einer Spule 39, anstelle der Spule 10, welche gemäss Fig. 1 mit dem Speicherkreis induktiv gekoppelt ist. Für die anderen Teile ist die Anordnung der Fig. 9 identisch mit der Schaltungsanordnung der Fig. 1. Daher sind die Bezugszahlen der Fig. 9 gleich wie in Fig. 1.
Die Anordnung der Fig. 9 wird anhand der Fig. 10 beschrieben. Wie bereits in Fig. 1 gezeigt, ist der Schalter 12 vor dem Startvorgang geschlossen. Hierdurch fliesst der Strom iS über die Spule 39 nur in der einen in Fig. 10 mit D bezeichneten Halbwelle, und zwar zur Zeit ts bzw.
nachdem der Wandler sich seinem eingeschwungenen Zustand genähert hat. Dies ist in der Fig. 5 gezeigt. Der Halb leitergleichrichter 6 wird gezündet, so dass die Umkehrspannung an den Halbleitergleichrichter 6 während einer hinreichend langen Zeit T gemäss Fig. 10, B gelegt werden kann.
Unter diesen Umständen wird der Kondensator 13 mit einer entsprechenden Spannung vor dem Schliessen des Schalters 12 geladen. Der Strom iS (Fig. 10, D) fliesst über die Spule 39 in der gleichen Richtung wie der Strom über die Induktivität 5 (Fig. 10, C) entsprechend der Zündung des gesteuerten Gleichrichters 6.
Wenn die Verbindungsleitung zwischen dem Kondensator 13 und dem Speicherkreis 3 eine genügend hohe, verteilte Induktivität aufweist, kann die Spule 39 entfallen.