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Einrichtung zur Kopplung und Spannungstransformierung von Wechselstromkreisen
unterschiedlicher Spannungen und gleicher oder unterschiedlicher Frequenzen Gegenstand
der Erfindung ist eine Einrichtung zur Kopplung und Sparmungstransformierung von
Wachsstromkreisen unterschiedlicher Spannungen und gleicher oder unterschiedlicher
Frequenzen, bei der zur Kleinhaltung des die Spannungstransformierung bewirkenden
Leistungstransformators die Eingangswechselspannung vor dem Transformator durch
eine Umrichteranordnung auf eine höhere Zwischenfrequenz auf der Sekundärseite des
Transformators durch eine zweite Umrichteranordnung auf eine niedrigere Ausgangsfrequenz
gebracht wird, die gegebenenfalls gleich der Eingangsfrequenz ist.
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Es sind derartige Einrichtungen zur Umwandlung von elektrischen Strömen
bekanntgeworden, bei denen Entladungsgefäße die Umwandlungn von Gleichstrom in Wechselstrom
oder Wechselstrom in solchen niedrigerer Frequenz und anderer Spannung vornehmen.
Dabei sind aber außer dem Transformator für die hohe Frequenz stets noch Transformatoren
für die niedrigere Frequenz notwendig. Der Gesamtkreis muß demnach bei Erzeugung
der niedrigeren Ausgangsfrequenz stets zwei Transformatorkreise haben. Die Erzeugung
einer der Eingangsfrequenz gleichen Ausgangsfrequenz ist hierbei nicht möglich.
Es sind zwar Einrichtungen bekanntgeworden, bei denen auch eine der Eingangsfrequenz
gleiche oder eine kleinere bzw. größere Ausgangsfrequenz erhältlich ist, jedoch
sind hierbei aufwendige Schaltungen mit Entladungsstrecken nebst den notwendigen
zusätzlichen Schaltmitteln notwendig. Neben dem großen technischen Aufwand und dem
durch die verwendeten Mittel bedingt geringen Wirkungsgrad der Gesamtanlage haben
diese bekannten Anlagen auch den Nachteil, daß sie nur für eine bestimmte Richtung
des Energieflusses brauchbar sind.
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Beim Gegenstand der Erfindung werden die besagten Nachteile vermieden
und die Möglichkeit geschaffen, die Einrichtungen für beide Energiellußrichtungen
in gleich guter Weise mit einfachen Mitteln und hohem Wirkungsgrad benutzbar zu
machen. Auch sind beim Gegenstand der Erfindung keine besonderen Maßnahmen beim
Anschluß zwischen zwei Netzen oder zwischen zwei Maschinen notwendig. Dies wird
dadurch erreicht, daß beide Umrichteranordnungen gleichartig und symmetrisch aufgebaut
sind und hierzu je zwei symmetrische Schalttransistoren enthalten, die mit
ihren einen äußeren Elektroden mit den Enden der Primär- bzw. Sekundärwicklung des
Transformators und mit ihren anderen äußeren Elektroden gemeinsam mit einer Eingangs-bzw.
Ausgangsklemme verbunden sind, während die andere Eingangs- bzw. Ausgangsklemme
mit der Mittelanzapfung der Primär- bzw. Sekundärwicklung des Transformators verbunden
ist, und daß jeder Schalttransistor an je ein gesondertes Steuerghed angeschlossen
ist und die gleich aufgebauten Steuerglieder auf der Eingangsseite der Anordnung
mit dem Ausgang, die anderen mit dem Eingang derselben verbunden und zumindest die
beiden Steuerglieder auf der gleichen Transformatorseite in gemeinsame Steuerabhängigkeit
von einer weiteren Steueranordnung gebracht sind.
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In F i g. 1 ist in schematischer Darstellung das Prinzip der
Transformierung gezeigt. An den Eingang des Transformators T ist eine Transistorschaltung
S, und an den Ausgang des Transformators eine zweite Transistorschaltung
S2 angeschlossen. Der Transistorschaltung Si wird eine Spannung Ul mit der
Frequenz f, zugeführt. In dieser ersten Transistorschaltung wird dann die
Frequenz f, in eine höhere Zwischenfrequenz f2 umgeformt und die Spannung
U, mit der neuen Zwischenfrequenz f2 ärn Transformator T zur Umwandlung in die Spannung
U2 zu-
geführt. Von der Sekundärseite des Transformators T gelangt die Spannung
U2 mit der Zwischenfrequenz f2
an die zweite Transistorschaltung
S2, in der die Frequenz f. wiederum in die Eingangsfrequenz fl zurückverwandelt
wird, so daß an den Ausgangsklemmen der Transistorschaltung S, eine umgeformte
Spannung U2 mit der Frequenz fl auftritt.
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Der Gegenstand der Erfindung ist an einem Beispiel schematisch in
F i g. 2 dargestellt, bei der ohne Verwendung von Gleichrichtem nur durch
Schaltung mit symmetrischen Transistoren eine Frequenzumwandlung und Spanungstransformierung
erfolgt. Hierzu mArd der Primärwicklung 36 eines Leistungstransformators
7
über mit den Enden dieser Wicklung verbundene Schalttransistoren 22 und
23 die Eingangsspannung zugeführt, wobei die eine Eingangsklemme 2 unmittelbar
mit der Mittelanzapfung der Primärwicklung 36 verbunden ist und die andere
Eingangsklemme 1 mit der gemeinsamen Verbindungsleitung zu den beiden Schalttransistoren
in Verbindung steht. Entsprechend wie auf der Prirnärseite ist die Schaltung auf
der Sekundärseite des Leistungstransforrnators 7 aufgebaut, wo wiederum Schalttransistoren
39 und 40 sowohl mit der Sekundärwicklung 37 als auch mit den Ausgangsklemmen
14, 15
verbunden sind. Zur Steuerung der Transistoren 22, 23 und
39, 40 dienen gleichartig aufgebaute, nachfolgend näher erläuterte Steuerglieder
20.
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Auf der Primärseite wird die durch die entsprechende Steuerung der
Schalttransistoren gleichgerichtete Netzfrequenz im Takt der Zwischenfrequenz zerhackt.
Dies geschieht durch eine astabile Kippstufe 17, welche mit den den einzelnen
Schalttransistoren zugeordneten Steuergliedern 20 verbunden ist. Auf der Sekundärseite
wird entsprechend durch die bereits genannten Steuerglieder 20 im Zusammenwirken
mit den Transistoren 39, 40 die gleichgerichtete Zwischenfrequenz im Takt
der Ausgangsfrequenz umgerichtet. Durch die symmetrische Schaltungsanordnung nach
F i g. 2 wird erreicht, daß die Umwandlungseinrichtung in beiden Richtungen
arbeiten kann, d. h., daß Ein- und Ausgangsklemmen miteinander vertauschbar
sind. Die Schalteinrichtung ist hierbei durch drei gegebenenfalls verschiedene Steuerspannungen
beaufschlagt, und zwar 1. Eine Steuerspannung in Abhängigkeit von der Spannung
am Transistor, welche bewirkt, daß automatisch die Durchlaßrichtung des Transistors
mit der Polarität der angelegten Spannung übereinstimmt.
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11. Eine Steuerspannung mit der Netzfrequenz der jeweiligen
Primärseite, welche die Netzfrequenz-Taktgabe bewirkt.
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111. Eine Steuerspannung mit der Zwischenfrequenz, welche die
Zwischenfrequenz-Taktgabe bewirkt. Hierbei sei darauf hingewiesen, daß auf der Primärseite
die Steuerspannungen nach I und 11, auf der Sekundärseite die Steuerspannungen
nach 1 und 111 in Phase sind und gleichartig wirken, während die Steuerspannung
nach 111 bzw. nach 11 den jeweils erforderlichen Takt gibt. Zur Erläuterung
der Arbeitsweise sei noch folgende überlegung angeführt: Die Schalttransistoren
können nur dann ihre Aufgabe als Zerhacker erfüllen, wenn sie in bezug auf die Polarität
der zu zerhackenden Spannung steuerbar sind. Andererseits wird die Primärspannung
mit der Netzfrequenz ihre Polarität ändern. Es muß also die Richtung der Steuerbarkeit
der Transistoren auf der Primärseite mit der Netzfrequenz umgekehrt werden. Dies
erfolgt durch das Zusammenwirken der Steuerspannungen nach 1 und
11, die Zerhackung durch die Steuerspannung nach 111. Ferner wird
auf der Sekundärseite die Spannung mit der Zwischenfrequenz ihre Polarität ändern.
Es muß also die Richtung der Steuerbarkeit der Transistoren auf der Sekundärseite
mit der Zwischenfrequenz umgekehrt werden. Dies erfolgt durch das Zusammenwirken
der Steuerspannungen nach 1 und 111, das Umklappen jeder zweiten Halbwelle
zwecks Rückbildung der Netzfrequenz durch die Steuerspannung nach II. Zur Bildung
der Steuerspannungen enthalten gemäß F i g. 3 die Steuerglieder 20 drei Hilfstransformatoren
62 (für die Steuerspannung nach 1), 63 (für die Steuerspannung nach
111), 64 (für die Steuerspannung nach 11). Die Sekundärwicklungen
62a, 62b,
63 a, 63 b, 64 a, 64 b sind paarweise
gleich groß und sämtlich in Reihe parallel zum Transistor 40 geschaltet. Die Ventile
66 und 66 a bewirken, daß jeweils eine der Summenspannungen der Wicklungen
62a, 63a, 64a oder 62b, 63b, 64b am Widerstand65 bzw.
65a vernichtet wird und nur die andere wirksam bleibt, je nach der Polarität
der Spannung am Transistor, welche die Grundsteuerung bewirkt. Die Primärwicklung62
liegt an der Transistorspannung, die Primärwicklung64 an der ganzen oder geteilten
Netzfrequerizspannung derjenigen Seite der Transformationseinrichtung, in der das
betreffende Steuerglied nicht liegt (vgL F i g. 2); die Primärwicklung
63
erhält von einer astabilen Kippschaltung 17 die Zwischenfrequenzimpulse
für die Zerhackung.
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Betrachtet man z. B. die Sekundärseite während der negativen
Halbwelle der Niederfrequenz, wie in F i g. 3 dargestellt, so ergeben sich
in der negativen Halbwelle der Zwischenfrequenz die in Kreisen, in der positiven
Halbwelle der Zwischenfrequenz die in Dreiecken eingezeichneten Polaritäten. Wie
ersichtlich, folgen die Polaritäten der Wicklungen 62 a, 62 b,
63
a, 63 b der Zwischenfrequenz, die Polaritäten der Wicklungen 64
a, 64 b jedoch der Netzfrequenz. Die Transistoren 39, 40 setzen
also die vom Transformator gelieferten Spannungsabschnitte von mit der Zwischenfrequenz
wechselnder Polarität zu Halbwellen der Netzfrequenz zusammen. Ohne die Steuerwicklungen
64 a, 64 b würde die Schaltung wie ein Vollweggleichrichtersatz wirken.
Die Steuerwicklungen jedoch kehren Sperr- und Durchlaßsinn im Takt der Netzfrequenz
um.
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Ähnliche Wirkungen werden auf der Primärseite erzielt, mit dem Unterschied,
daß dort die Steuerwicklungen 63 a, 63 b die Transistoren 22,
23 (gemäß F i g. 2) mit der Zwischenfrequenz öffnen und schließen,
während die Wicklungen 62 a, 62 b, 64 a,
64 b
gleichartig wirken und den Durchlaßzustand der Transistoren für die nutzfrequente
Spannung herstellen.
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Die erwähnte Vernichtung einer der Summenspannungen der Wicklungen
62 a, 63 a, 64 a bzw. 62 b,
63 b.
64 b wird folgendermaßen erreicht: Betrachtet man in F i
3 den Transistor 40, so wird offenbar in der negativen Halbwelle der Zwischenfrequenz
(Polaritäten in Kreisen) die Summenspannung an den Wicklungen 62
a, 63 a, 64 a vom Ventil 66 gesperrt, da die Spannung der Wicklungen
62 a, 63 a größer ist als die der Wicklung 64a. Die Summenspannung
der Wicklungen 62 b, 63 b, 64 b wird jedoch Strom über
das Ventil 66 a und den Widerstand 65 a fließen
lassen. Als Beispiele für die Größe der Wicklungsspannungen (Spitzenwerte) sei angenommen:
62a: 50V; 63a: 2V; 64a: 4V. Am Transistor steht die Spannung von 50V. Daher
Hegen folgende Potentialverhältnisse gegenüber der rechten Elektrode (Emitter) des
Transistors vor: linke Elektrode (Kollektor) - 50 V, mittlere (Basis)
- 2 V. Der Transistor hat demgemäß die Durchlaßrichtung von links nach rechts.
Bei Umkehrung der Polarität der Zwischenfrequenzspannung (Polaritäten in Dreiecken)
liegen folgende Potentialverhältnisse gegenüber der linken Elektrode (Emitter) des
Transistors vor: Mittlere
Elektrode (Basis + 6 V, rechte
Elektrode (Kollektor' ,
- 50 V. Der Transistor ist also gesperrt.
Analoge,# gilt umgekehrt für den Transistor 39.
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Für die zwischenfrequente Zerhackung können beliebige astabile Kippschaltungen
dienen, z. B. eine solche nach F i g. 4. Sie besteht in dieser an sich bekannten
Ausführungsform aus zwei Transistoren 7fl und 71, die über je eine
Wicklung 72 und 73 einer Kerndrossel an der Gleichspannung
78 liegen. Ihre Funktion sei hier nur kurz gestreift. Ist z. B. der Transistor
70 durchlässig, so liegt am Kondensator 77 fast die gesamte Spannung
der Stromquelle. Öffnet der Transistor 71, so gelangt ein dem Spannungsabfall
an der Wicklung 73 entsprechender positiver Impuls an die Basis des Transistors
70 und sperrt diesen. Das positive Potential der Basis wird nun über den
Widerstand 74 so lange gesenkt, bis es einen geringeren negativen Wert erreicht
hat. In diesem Moment öffnet der Transistor 70, und über den Kondensator
77 gelangt in analoger Weise, wie oben beschrieben, ein positiver Impuls
an die Basis des Trafisistors 71, so daß dieser geschlossen wird. Die Kippfrequenz
ist von den Widerständen 74 und 75 und den Kondensatoren 76 und
77 abhängig und kann z. B. durch Verändern der beiden Widerstände eingestellt
werden. Auf den Kein der Drossel 72 bis 73
werden die Steuerwicklungen
63, 63 a, 63 b, 63 c, 63 d
und 63 e nach
F i g. 3 aufgebracht sowie die entsprechenden Steuerwicklungen der Primärseite.
Das Verfahren ist auch bei Drehstrom anwendbar, und zwar beispielsweise durch getrennte
Transforrnierung der drei Phasen.
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Die Erfindung ist jedoch nicht nur auf die spannungsmäßige Transformation
mit gleichen Ein- und Ausgangsfrequenzen beschränkt, sondern es kann durch Veränderung
der Frequenz des netzfrequenten Taktgebers (z. B. astabile Kippstufe) die Ausgangsfrequenz
gegenüber der Eingangsfrequenz in beliebiger Weise verändert werden. Die Veränderung
der Ausgangsfrequenz kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß eine astabile
Kippstufe vorgesehen ist, deren Frequenz durch ein veränderliches Steuergerät in
Form eines Potentiometers eingestellt werden kann.