DE1142411B

DE1142411B - Einrichtung zur Umformung von Wechselstrom konstanter Frequenz in solchen veraenderbarer Frequenz und gegebenenfalls anderer Phasenzahl

Info

Publication number: DE1142411B
Application number: DES59345A
Authority: DE
Inventors: Dr Georg Sichling
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1958-08-08
Filing date: 1958-08-08
Publication date: 1963-01-17
Also published as: US3109976A

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

14/02

INTERNATIONALE KL.

H 02m; η

S59345Vmb/21d²

ANMELDE.TAG: 8. A U G U S T 1958

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABEDBR AUSLEGESCHRIFT: 17. JANUAR 1963

Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zur Umformung von Wechselstrom konstanter Frequenz in solchen veränderbarer Frequenz und gegebenenfalls anderer Phasenzahl unter Verwendung einer Gleichrichtereinheit und einer Wechselrichtereinheit aus steuerbaren Halbleiterschaltorganen mit Kippverhalten sowie eines Verteilers für die von einem Impulsgeber herrührenden Impulse, der die Impulse in Rechteckspannungen von bestimmter gegenseitiger Phasenlage umwandelt und von den Rechteckspannungen Steuersignale für die Schaltorgane der Wechselrichtereinheit ableitet im Sinne einer Umsetzung des Gleichstromes in Wechselstrom veränderbarer Frequenz und bestimmter Phasenzahl.

Es sind bereits Umformungseinrichtungen für Starkstromzwecke, insbesondere zur Speisung von Drehstrommaschinen zwecks Regelung der Drehzahl bekannt, bei denen als Schaltorgane ruhende Schaltelemente in Form von Transistoren oder magnetfeldempfindlichen Halbleitern vorgesehen sind. Es hat sich ergeben, daß bei solchen Schaltungen Schwierigkeiten auftreten können, wenn in gewissen Betriebsfällen durch die Auswirkung des Zener-Effektes eine störende Spannungsbegrenzung bzw. in anderen Betriebsfällen durch die auftretende Sättigung eine Strombegrenzung erfolgt. Die Vermeidung dieser Nachteile mit einfachen Mitteln zu erreichen, ist Aufgabe der Erfindung.

Es sind als Dynistoren bzw. Schaltdioden vom p-n-p-n-Typ oder n-p-n-p-Typ bezeichnete steuerbare Halbleiterschaltorgane mit Kippverhalten bekannt, die derartige Zener-Effekte bzw. Sättigungserscheinungen nicht aufweisen. Die genannten Halbleiterelemente haben bekanntlich eine den Stromrichtern ähnliche Charakteristik, wobei die Dynistoren nur in einer Stromrichtung sperren, während die Schaltdioden in beiden Stromrichtungen sperren, solange die Spannung einen bestimmten Wert nicht überschreitet. Eine solche Charakteristik läßt die genannten Halbleiterelemente für den vorerwähnten Zweck als nicht geeignet erscheinen.

Die Schaffung eines die vorerwähnten Nachteile nicht aufweisenden Umformers gelingt bei Verwendung von Dynistoren bzw. Schaltdioden als Schaltorgane mit Kippverhalten nach der Erfindung dadurch, daß die einzelnen Schaltorgane beider Einheiten in synchrone Steuerabhängigkeit vom Impulsgeber gebracht und zumindest die Schaltorgane der Wechselrichtereinheit zusätzlich in Schließabhängigkeit vom Verteiler gebracht sind und hierzu jedes Schaltorgan mit einem Zündtransformator im Steuerkreis versehen ist und mindestens die Schaltorgane

Einrichtung zur Umformung von Wechselstrom konstanter Frequenz

in solchen veränderbarer Frequenz und gegebenenfalls anderer Phasenzahl

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen, Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dr. Georg Sichling, Pacific Palisade, Calif.

(V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

der Wechselrichtereinheit in ihrem Außenstromkreis je einen Löschtransformator enthalten.

Durch die Kopplung zwischen Gleichrichterspannung und Ausgangsfrequenz wird erreicht, daß z. B.

ein an das sekundäre Wechselstromnetz angeschlossener steuerbarer Synchronmotor bei jeder Drehzahl ein konstantes maximales Drehmoment abgeben kann. Durch die Zwangslöschung der jeweils stromführenden Schaltorgane vor dem Zünden der entsprechenden nachfolgend stromführenden, in Reihe dazu angeordneten Schaltorgane können die besagten Halbleiterelemente verwendet werden, wobei sich der Vorteil ergibt, daß hier der bei den bekannten Einrichtungen auftretende nachteilige Effekt einer Strom- und Spannungsbegrenzung nicht gegeben ist.

Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es handelt sich hierbei um die Umformung von Drehstrom konstanter Frequenz in Drehstrom veränderbarer Frequenz, beispielsweise zur Drehzahlsteuerung eines an das sekundäre Drehstromnetz angeschlossenen Synchronmotors.

Nach Fig. 1 ist an ein Drehstromnetz 1 von konstanter Frequenz ein Transformator 2 angeschlossen, der sekundärseitig eine Gleichrichtereinheit speist. Diese besteht im wesentlichen aus je einer Schaltdiode gleichen Typs (n-p-n-p- oder p-n-p-n-Typ) 3,4

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3 4

und 5 je Phase, die gemeinsam über eine Drossel 30 dargestellten Phasenlage (Fig. 2, Il bis IV) den ein- und einen Kondensator 31 mit dem Sternpunkt der zelnen Gruppen zugeteilt wird, wobei, wie in Fig. 2, Sekundärwicklung verbunden sind. Jede Schaltdiode V und VI gezeigt ist, von den Anfangsflanken der weist einen Zündtransformator 35, 36 bzw. 37 auf, Rechteckspannungen jeweils zwei Impulse abgeleitet dessen Primärwicklung in Abhängigkeit von einer 5 werden, von denen der eine den Löschimpuls und Zündwinkelverstelleinrichtung 39 an sich bekannter der zweite den verzögerten Zündimpuls für die bei-Art gebracht ist und dessen Sekundärwicklung je- den Halbleiterelemente einer Gruppe bildet. Dies ist weils zwischen einer Außen- und Innenelektrode der erforderlich, damit zur Vermeidung eines Kurzzugeordneten Schaltdiode angeschlossen ist. An den Schlusses die stromführende Schaltdiode früher sperrt Kondensator 31 ist eine Dreiphasenwechselrichter- io als die in der gleichen Gruppe liegende nachfolgend einheit in Graetz-Schaltung angeschlossen, die aus zündende Schaltdiode. Die den einzelnen Halbleiterder Parallelschaltung von drei Gruppen mit je zwei in elementen zugeordneten parallelliegenden Sperr-Reihe geschalteten Schaltdioden 6 und 9 bzw. 7 gleichrichter haben die Aufgabe, beim Löschen des und 10 bzw. 8 und 11 besteht. Jedem Halbleiter ist Gefäßes das Auftreten von Überspannungen zu verje ein Sperrgleichrichter 12 bis 17 parallel geschaltet. 15 hindern, indem über sie der auftretende Blindstrom Die Durchlaßrichtung der Gleichrichter ist entgegen- in Rückwärtsrichtung dem Kondensator zugeführt gesetzt der Stromführungsrichtung des Schaltorgans. wird. Diese Blindleistung, die insbesondere bei

Aufgabe und Wirkungsweise dieser Gleichrichter niedrigen Frequenzen und induktiver Belastung —

ist weiter unten noch näher erläutert. wie sie beispielsweise bei Drehstromsynchron-

An die Verbindungspunkte zwischen je zwei 2° motoren gegeben sind — außerordentlich hoch ist, Schaltdioden einer Gruppe ist das sekundäre Dreh- muß durch den Kondensator aufgenommen werden, stromnetz mit einem Motor 38 als Verbraucher an- wenn nicht eine unzulässig starke Erhöhung der geschlossen. Zur Steuerung der einzelnen Schalt- Gleichspannung in Kauf genommen werden soll, dioden 6 bis 11 sind Zündtransformatoren 24 bis 29 Hierzu muß der Kondensator entsprechend groß bevorgesehen, und außerdem ist im Außenstromkreis 25 messen sein.

jeder Schaltdiode ein Löschtransformator 18 bis 23 Um die Bemessung des Kondensators in kleinen angeordnet. Die Löschtransformatoren sind mit Grenzen halten zu können, ist es vorteilhaft, die ihrer Sekundärwicklung im äußeren Stromkreis an- Spannung im Gleichstromnetz konstant zu halten, geschlossen, während ihre nicht näher dargestellte indem der Gleichrichter bei Übersteigen einer bePrimärwicklung in einer in Fig. 3 näher gekennzeich- 30 stimmten Kondensatorspannung vorübergehend als neten Schaltungsanordnung liegt. Diese Primärkreise Wechselrichter betrieben wird, so daß die Blindsind genau wie die Primärkreise der Zündtransfor- leistung bzw. die generatorische Leistung des Motors matoren in Betätigungsabhängigkeit von einem Ver- 38 an das Primärnetz zurückgegeben wird. Darüber teiler 41 gebracht, der die vom Impulsgeber 40 aus- hinaus besteht die Möglichkeit, eine Blindleistung, gehenden, in regelmäßigen Abständen auftretenden 35 ^wJe sie durch die Ausschnittssteuerung auftritt, zu Impulse entsprechend der Phasenzahl auf die einzel- vermeiden, indem die Schaltdioden der Gleichrichternen Schaltdioden verteilt, indem der in an anderer anordnung symmetrisch gezündet und zwangsweise Stelle vorgeschlagener Weise aus bistabilen Kipp- gelöscht werden, so daß das primäre Netz von Blindstufen aufgebaute Verteiler die ankommenden Im- leistung entlastet ist. Hierzu können, wie schematisch pulse in Rechteckspannungen entsprechender Phasen- 40 dargestellt, die Löschtransformatoren 32 bis 34 im lage umwandelt und von diesen Zünd- und Lösch- äußeren Stromkreis der Schaltdioden 3 bis 5 angeimpulse ableitet, die dann in richtiger Reihenfolge ordnet sein und diese sowie die Zündtransformatoren den Steuerorganen der Schaltdioden zugeführt wer- ebenso in Steuerabhängigkeit von einem nicht darden, so daß durch die Zerlegung des Gleichstromes gestellten zweiten Verteiler gebracht werden, ein Mehrphasenstrom entsteht. 45 Die bei der Löschung erforderliche Leistung ist

Der Impulsgeber besteht aus einem Multivibrator verhältnismäßig groß und wird bestimmt durch die oder einer sonstigen an sich bekannten Schaltung, im Zeitpunkt der Löschung auftretende Strom- und deren Frequenz beispielsweise durch Zuführung einer Spannungsgröße. Infolge der bei den genannten Gleichspannung veränderbarer Größe einstellbar ist. Halbleitern erzielbaren außerordentlichen Kürze der Die zur Steuerung des Impulsgebers verwendete 50 Löschzeit ist jedoch die notwendige Energie verhält-Spannung wird außerdem der Zündwinkelsteuer- nismäßig gering, so daß zur Löschung eine in Fig. 3 einrichtung 39 so zugeführt, daß durch die entspre- dargestellte Anordnung vorteilhaft verwendbar ist, chende Betätigung der Schaltdioden 3 bis 5 über die die für eine Schaltdiode gezeigt wird. Im Primär-Zündtransformatoren 35 bis 37 durch Zündwinkel- Stromkreis des Löschtransformators 21 liegt eine verschiebung eine Veränderung der Gleichspannung 55 Schaltdiode 44 und parallel hierzu ein Kondensator möglich ist, die so eingestellt wird, daß synchron mit 43, der von einer Hilfsstromquelle über einen Widerder Erhöhung der Frequenz eine Erhöhung der stand 42 in aufgeladenem Zustand gehalten wird. Die Gleichspannung erfolgt, so daß der am Wechsel- Schaltdiode 44 ist in Steuerabhängigkeit vom Verstromnetz angeschlossene Motor 38 stets das gleiche teiler gebracht und öffnet bei Auftreten des entmaximale Drehmoment abzugeben in der Lage ist. 60 sprechenden Steuerimpulses, so daß als Löschenergie Entsprechendes gilt auch bei Verminderung der die Kondensatorenergie auf den Stromkreis der be-Spannung und zwangläufiger Verkleinerung der Fre- treffenden Halbleiterdiode übertragen wird, quenz. Bei Verwendung von Dynistoren an Stelle der

Die Umformung der vom Impulsgeber in regel- Schaltdioden sind diesen jeweils Sperrgleichrichter

mäßigen Abständen auftretenden einzelnen Impulse 6g vorzuschalten, um einen Stromfluß in Rückwärtsrich-

ist in Fig. 2, I dargestellt. Von diesen Impulsen wird tung durch die Dynistoren zu verhindern. Dies gilt

durch den Verteiler jeder dritte Impuls zur Erzeu- für die gesteuerten Halbleiter des gesteuerten Gleich-

gung einer Rechteckspannung verwendet, die in der richters. Beim Wechselrichter können sie dagegen

unter Umständen entfallen, da sie dann durch die Gleichrichter 12 bis 17 ersetzt werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Einrichtung zur Umformung von Wechselstrom konstanter Frequenz in solchen veränderbarer Frequenz und gegebenenfalls anderer Phasenzahl unter Verwendung einer Gleichrichtereinheit und einer Wechselrichtereinheit aus steuerbaren Halbleiterschaltorganen mit Kippverhalten (Dynistoren bzw. Vierschicht-Schaltdioden) sowie eines Verteilers für die von einem Impulsgeber herrührenden Impulse, der die Impulse in Rechteckspannungen von bestimmter gegenseitiger Phasenlage umwandelt und von den Rechteckspannungen Steuersignale für die Schaltorgane der Wechselrichtereinheit ableitet im Sinne einer Umsetzung des Gleichstromes in Wechselstrom veränderbarer Frequenz und bestimmter Phasenzahl, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schaltorgane beider Einheiten in synchrone Steuerabhängigkeit vom Impulsgeber gebracht und zumindest die Schaltorgane der Wechselrichtereinheit zusätzlich in Schließabhängigkeit vom Verteiler gebracht sind und hierzu jedes Schaltorgan mit einem Zündtransformator im Steuerkreis versehen ist und mindestens die Schaltorgane der Wechselrichtereinheit in ihrem Außenstromkreis je einen Löschtransformator enthalten.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltorgane der Gleichrichtereinheit in Öffnungsabhängigkeit von einer Zündwinkelverstellanordnung gebracht sind, die ihrerseits von einer den Impulsgeber beeinflussenden Hilfsspannung abhängig ist, derart, daß mit der Veränderung der Impulsfolge eine solche Veränderung der Amplitude des gleichzurichtenden Stromes erfolgt, daß die am Ausgangswechselstromnetz entnehmbare Energie frequenzunabhängig ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wechselrichtereinheit jeder Reihenschaltung eines Schaltorgans mit seinem Löschtransformator ein Einweggleichrichter parallel liegt, der den vom primären Wechselstromnetz über die Gleichrichtereinheit gelieferten Strom bei geschlossenem Schaltorgan sperrt und nur die beim Schließen der Schaltorgane auftretenden Blindströme auf einen parallel zur Wechselrichtereinheit geschalteten Kondensator führt.

4. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichtereinheit bei Überschreiten einer bestimmten Kondensatorspannung vorübergehend als Wechselrichter betrieben wird.

5. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltorgane der Gleichrichtereinheit symmetrisch zwangsweise geöffnet und geschlossen werden und hierzu die Zünd- und Löschtransformatoren in Schaltabhängigkeit eines zweiten, vom Impulsgeber abhängigen Verteilers gebracht sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung und Zuführung der Löschenergie an den Löschtransformator in dessen Primärkreis ein weiteres Schaltorgan der besagten Art angeordnet ist, das vom Verteiler gezündet wird und einen von einer Hilfsquelle aufgeladenen Kondensator über die Primärwicklung entlädt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 021 891;
französische Patentschrift Nr. 1137 283.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

O 209 758/103 1.63