DE1171983B - Selbstgesteuerter Wechselrichter mit Transistoren - Google Patents

Selbstgesteuerter Wechselrichter mit Transistoren

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DE1171983B DEW16284A DEW0016284A DE1171983B DE 1171983 B DE1171983 B DE 1171983B DE W16284 A DEW16284 A DE W16284A DE W0016284 A DEW0016284 A DE W0016284A DE 1171983 B DE1171983 B DE 1171983B
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Richard Louis Bright
George Howard Royer
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Internat. Kl.: H 02 m;
H 02 η
Deutsche Kl.: 21 d2-12/03
Nummer: 1171983
Aktenzeichen: W 16284 VIII b / 21 d2
Anmeldetag: 21. März 1955
Auslegetag: 11. Juni 1964
Es sind selbstgesteuerte Wechselrichter bekannt, die mit Hilfe zweier Schaltvorrichtungen eine Gleichspannung in eine Wechselspannung umformen. Als Schaltvorrichtungen eignen sich insbesondere solche elektronischer Art.
Weiterhin ist ein selbstgesteuerter Wechselrichter mit zwei im Gegentakt auf die Primärwicklung eines Transformators arbeitenden Transistoren bekannt, deren Steuerelektroden derart an sekundäre Steuerwicklungen des Transformators angeschlossen sind, daß jeweils der sich öffnende Transistor während seiner gesamten Öffnungszeit ein Öffnungspotential und der andere Transistor während der gleichen Zeit ein Sperrpotential erhält. Die Umsteuerung der beiden Transistoren wird durch in den Steuerwicklungen induzierte Spannungen entgegengesetzter Richtung eingeleitet. Hierzu dient ein Schwingkreis, der aus einer Wicklung des Transformators und einem Kondensator besteht. Die Ausgangsspannung des Wechselrichters ist eine annähernd sinusförmige Wechselspannung, und auch die Transistoren werden stetig nach Maßgabe des Verlaufs der Sinusschwingung durchgesteuert. Die von den Transistoren gelieferte Leistung darf also die zulässige Verlustleistung nicht überschreiten.
Die Erfindung zeigt nun einen Weg, wie durch ein neuartiges Funktionsprinzip die Ausgangsleistung und der Wirkungsgrad eines selbstgesteuerten Wechselrichters erheblich gesteigert und darüber hinaus auch der Kondensator entbehrt werden kann. Der Erfindungsgegenstand ist dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzielen der Steuerspannung der Transformator einen Kern aus einem Material mit im wesentlichen rechteckiger Hysteresisschleife besitzt und der Kern zur Sättigung innerhalb des Bereiches der Primärspannung bemessen ist.
Die als Schaltvorrichtungen wirkenden Transistoren befinden sich dabei wechselweise in leitendem (geöffnetem) bzw. nicht leitendem (gesperrtem) Zustand, arbeiten also im Schaltbetrieb und können Leistungen beherrschen, die wesentlich über der Verlustleistung liegen.
Zum besseren Verständnis sei die Erfindung an Hand der in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Schaltung, die beim Wechselrichter nach der Erfindung verwendet wird,
F i g. 2 eine graphische Darstellung einer für den magnetischen Teil des Wechselrichters nach der Erfindung geeigneten Hysteresisschleife,
Selbstgesteuerter Wechselrichter mit Transistoren
Anmelder:
Westinghouse Electric Corporation,
East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)
Vertreter:
Dr. jur. G. Hoepffner, Rechtsanwalt,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Als Erfinder benannt:
!5 Richard Louis Bright, Adamsburg, Pa.,
George Howard Royer, Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 6. April 1954 (421 350) - -
F i g. 3 eine graphische Darstellung der Be-Ziehungen zwischen bestimmten Größen der in F i g. 1 gegebenen Schaltung,
Fig. 4 und 5 schematische Darstellungen elektrischer Schaltungen von von der F i g. 1 abweichenden Ausführungsformen der Erfindung.
In F i g. 1 ist die Gleichspannungsquelle 1 durch eine Batterie üblicher Art mit einer positiven und einer negativen Klemme dargestellt, die durch Plus- und Minuszeichen angedeutet sind. Die Transistoren 3 und 5 sind vorzugsweise pnp-Flächentransistoren, wobei der Transistor 3 eine Basiselektrode 7, eine Emitterelektrode 9 und eine Kollektorelektrode 11 aufweist. Der Transistor 5 hat eine Basiselektrode 13, eine Emitterelektrode 15 und eine Kollektorelektrode 17.
Der Wechselrichter gemäß der Erfindung weist einen mit 19 bezeichneten sättigbaren Transformator auf, dessen Magnetkern mit 21 bezeichnet ist, welcher aus einem Material besteht, das innerhalb des Bereichs der zur Verfügung stehenden Spannung sättigbar ist. Das im Kern 21 verwendete Material ist von der ohne weiteres erhältlichen Art, die eine rechteckige Hysteresisschleife ergibt. Transformatoren mit einem solchen Kernmaterial sind an sich bekannt.
Der Transformator 19 besitzt mehrere Wicklungen 25, 27, 29 und 31, die durch den Kern 21 induktiv miteinander gekoppelt sind. Wie dargestellt, ist die
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Wicklung 25 mit zwei Klemmen 33 und 35 versehen. Bei Zunahme des magnetischen Flusses im Kern
Die Wicklungen 27 und 29 sind mit Klemmen 37 21 infolge des andauernden Stromflusses von der
und 39 versehen und bilden zusammen eine einzige Batterie 1 durch die Wicklung 27 nähert sich der
Wicklung mit einer Mittelanzapfung 41. Die Wick- Kern 21 dem Sättigungszustand, wobei im wesent-
lung 31 ist mit zwei Klemmen 43 und 45 versehen. 5 liehen keine weitere Zunahme des magnetischen
Ferner ist auf dem Kern 21 eine Wicklung 47 vorge- Flusses im Kern 21 stattfindet, und in den Wicklungen
sehen, die zwei Ausgangsklemmen 49 und 51 hat. 25, 27, 29 und 31 werden im wesentlichen keine
Die Klemme 37 der Wicklung 27 ist mit der KoI- Spannungen induziert, so daß beide Transistoren 3
lektorelektrode 11 des Transistors 3 verbunden, und 5 nichtleitend werden. Die Spannungsquelle 1 während die Klemme 39 der Wicklung 29 mit der io ist daher von der Wicklung 27 abgeschaltet. Es fließt
Kollektorelektrode 17 des Transistors 5 verbunden nun kein Strom von der Quelle 1 durch die Wicklung
ist. Die Klemmen 33 und 35 der Wicklung 25 sind 27, was zur Folge hat, daß im Kern 21 im wesent-
mit der Emitterelektrode 9 bzw. mit der Basiselek- liehen keine magnetornotorische Kraft wirksam
trode 7 des Transistors 3 verbunden. In ähnlicher wird.
Weise sind die Klemmen 43 und 45 der Wicklung 31 15 Wie die Kurve 53 in Fig. 2 zeigt, wird, wenn die mit der Basiselektrode 13 bzw. mit der Emitterelek- magnetomotorische Kraft von einem Wert, der austrode 15 des Transistors 5 verbunden. Die Emitter- reicht, die Sättigung des Kerns 21 zu bewirken, auf elektroden 9 und 15 der Tranistoren 3 und 5 sind mit einen Wert Null abfällt, der im Kern 21 vorhandene der positiven Klemme der Gleichspannungsquelle magnetische Fluß um einen Betrag verringert, der in bzw. Batterie 1 verbunden, während die Mittel- 20 F i g. 2 bei 55 angedeutet ist. Diese Verringerung des anzapfung41 mit der negativen Klemme der letzteren magnetischen Flusses hat das Induzieren von Spanverbunden ist. Hieraus ergibt sich, daß die Wicklung nungen in den Wicklungen 25 und 31 zur Folge, 27 durch die Batterie 1 über den Transistor 3, wäh- deren Polaritäten den in F i g. 1 gezeigten entgegenrend die Wicklung 29 von der Batterie 1 über den gesetzt sind, so daß der Transistor 3 in seinem Sperr-Transistor 5 gespeist wird. 25 zustand gehalten und der Transistor 5 leitend wird. Die Wirkungsweise der Wechselrichteranordnung Wenn der Transistors leitend zu werden beginnt, ist, soweit sie sich gegenwärtig theoretisch erläutern wird der vorangehend beschriebene Vorgang umgeläßt, wie folgt. Es sei zunächst angenommen, daß aus kehrt, so daß nun Strom von der Gleichspannungsirgendeinem Grund Strom über den Emitter 9 zum quelle 1 über den Transistor 5 und die Klemme 39 Kollektor 11 des Transistors 3 von der Batterie 1 zu 30 durch die Wicklung 29 fließt. Ein Stromfluß durch fließen beginnt, und daß von der Batterie 1 über den die Wicklung 29 hat, wie erwähnt, eine magneto-Emitter 15 zum Kollektor 17 des Transistors 5 im motorische Kraft zur Folge, durch die ein magnewesentlichen kein Strom fließt. In diesem Falle ist tischer Fluß durch den Kern 21 in einer Richtung der Widerstand des Transistors 3 gegenüber dem des hervorgerufen wird, der der Richtung des durch das Transistors 5 verhältnismäßig gering, was zur Folge 35 Speisen der Wicklung 27 in der vorangehend behat, daß im wesentlichen die gesamte Spannung der schriebenen Weise erzeugten magnetischen Flusses Batterie 1 an die Wicklung 27 des Transformators 19 entgegengesetzt ist.
liegt, so daß ein Stromfluß von der Batterie 1 über Da der Stromfluß von der Spannungsquelle 1 durch die Klemme 37 der Wicklung 27 stattfindet. Durch die Wicklung 29 andauert, nimmt der magnetische einen Stromfluß von der Batterie 1 durch die Wick- 40 Fluß im Kern 21, bezogen auf die Zeit, linear zu, so lung 27 werden in den Wicklungen 25 und 31 Span- daß in den Wicklungen 25, 27, 31 und 47 Spannungen induziert, deren Polarität und Höhe derart nungen von einer konstanten Höhe induziert werden, ist, daß der Transistor 3 im leitenden Zustand und deren Polaritäten denjenigen der in den erwähnten der Transistor 5 im Sperrzustand gehalten wird. Wicklungen induzierten Spannungen, wenn die Wickln Fig. 2 ist eine geeignete magnetische Induk- 45 lung27 durch die Gleichspannungsquelle 1 gespeist tionskurve53 für den Kern 21 gegeben, der eine wird, entgegengesetzt ist. Durch die in den Wick-Hysteresisschleife mit ausgeprägtem Sättigungsknick lungen 25 und 31 durch das Speisen der Wicklung aufweist. Wenn die Batterie 1 an die Wicklung 27 an- 29 induzierten Spannungen wird der Leitzustand des gelegt wird, wie vorangehend beschrieben, entsteht Transistors 5 und der Sperrzustand des Transistors 3 im Kern 21 ein magnetischer Fluß, welcher infolge 5° aufrechterhalten. Wenn der Kern 21 seine Sättigung des konstanten Werts der Spannung der Batterie 1, erreicht, werden keine Spannungen mehr in den bezogen auf die Zeit, im wesentlichen linear zu- Wicklungen 25, 27, 31 und 47 induziert, so daß beide nimmt. Durch diesen zunehmenden magnetischen Transistoren 3 und 5 in den Sperrzustand kommen, Fluß werden in den Wicklungen 25, 29, 31 und 47 was zur Folge hat, daß die Gleichspannungsquelle 1 Spannungen von im wesentlichen konstanter Höhe 55 von der Wicklung 29 abgeschaltet wird. Hierdurch induziert. Die Wicklungen 25 und 31 sind so mitein- wird der magnetische Fluß im Kern 21 um einen Beander verbunden, daß die darin induzierten Span- trag verringert, der in F i g. 2 bei 57 angedeutet ist, · nungen die in F i g. 1 gezeigten Polaritäten haben, so so daß in den Wicklungen 25 und 31 Spannungen daß die Klemme 33 der Wicklung 25 positiv gegen- induziert werden, deren Polarität und Höhe derart über der Klemme 35 und die Klemme 43 der Wick- 60 ist, daß sie das Leitendwerden des Transistors 3 und lung 31 positiv gegenüber der Klemme 45 ist. Die das Sperren des Transistors 5 bewirken, wodurch eine Wicklungen 25 und 31 sind so ausgelegt, daß die in weitere Arbeitsperiode der Wechselrichteranordnung ihnen induzierten Spannungen die Emitterelektrode 9 eingeleitet wird.
des Transistors 3 ausreichend positiv gegenüber dessen Aus dem Vorangehenden ergibt sich, daß in der Basiselektrode 7 und die Basiselektrode 13 des Tran- 65 Wicklung 47 bei jedem vollständigen Arbeitsvorgang sistors 5 ausreichend positiv gegenüber dessen des Wechselrichters zwei Spannungsimpulse von entEmitterelektrode 15 machen, so daß der Transistor 3 gegengesetzter Polarität induziert werden, so daß ein leitend und der Transistor 5 gesperrt bleibt. Wechselspannungsausgang erzielt wird. Es wurde
festgestellt, daß diese Ausgangswechselspannung eine im wesentlichen rechteckige Wellenform hat und daß die Dauer jeder Halbperiode dieser Wechselspannung proportional der Zeit ist, die für die magnetische Sättigung des Kerns 21 nach jeder Umkehrung des Leitzustandes der Transistoren 3 und 5 erforderlich ist. Es wurde ferner festgestellt, daß die für eine solche Sättigung erforderliche Zeit der Höhe der Spannung der Gleichspannungsquelle 1 umgekehrt proportional ist Die Frequenz der Ausgangswechselspannung ist daher direkt proportional der Höhe der Spannung der Batterie 1. Diese Eigenschaft der Ausgangsgröße des Wechselrichters macht ihn zur Fernmessung in hohem Maße geeignet, beispielsweise, wenn an entfernte Stellen eine Nachricht in Form einer Wechselspannung übertragen werden soll, deren Frequenz proportional dem Betrag einer zu messenden Gleichspannung ist.
Um zu gewährleisten, daß bei Betriebsbeginn einer der Transistoren 3 und 5 zunächst stärker leitfähig ist als der andere, ist ein geeigneter Widerstand 58 zwischen der Basiselektrode eines der Transistoren und der negativen Klemme der Gleichspannungsquelle 1 geschaltet. In F i g. 1 ist der Widerstand 58 zwischen der Basiselektrode 7 des Transistors 3 und der negativen Klemme der Gleichspannungsquelle 1 geschaltet. Bei dieser Anordnung beginnt der Transistor 3 leitend zu werden, während der Transistor 5 in seinen Sperrzustand gebracht wird.
Die in Fig. 3 gegebene graphische Darstellung zeigt das Verhältnis zwischen der Spannung der Batterie 1 und der Frequenz der Ausgangswechselspannung, die an den Ausgangsklemmen 49 und 51 der Wicklung 47 auftritt. Wie sich aus F i g. 3 ergibt, ist die Kurve 59 über einen großen Spannungsbereich linear mit Ausnahme eines kleinen Teils 61, der relativ hohen Spannungswerten der Batterie 1 entspricht. Es wird angenommen, daß diese Abweichung von der gewünschten Linearität bei relativ hohen Spannungswerten der Batterie 1 durch die Uberbelastung der Transistoren 3 und 5 verursacht wird, welche auf das Induzieren verhältnismäßig hoher Spannungen in den Wicklungen 25 und 31 durch den von der Batterie 1 über die Wicklungen 27 und 29 fließenden Strom zurückzuführen ist.
Es ist vorteilhaft, Mittel vorzusehen, die eine wesentliche Verringerung des Betrags des Basis-Emitter-Stroms der Transistoren 3 und 5 bei verhältnismäßig hohen Spannungswerten der Batterie 1 ermöglichen. Diese Mittel können ferner das Leitendwerden des einen oder des anderen der Transistoren 3 und 5 für das Ingangsetzen der Wechselrichteranordnung bewirken. In F i g. 4 ist eine Schaltung des Wechselrichters dargestellt, wobei verschiedene Schaltelemente in ihrer Konstruktion und Anordnung Schaltelementen der F i g. 1 ähnlich sind, so daß in F i g. 1 und 4 einander entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind.
Bei der in F i g. 4 dargestellten Ausführungsform ist eine Vorspannungsquelle vorgesehen, die als Batterie 63 üblicher Art mit einer positiven und einer negativen Klemme dargestellt ist. Die positive Klemme der Batterie 63 ist an die Emitter 9 und 15 der Transistoren 3 und 5, während die negative Klemme der Batterie63 über einen Reihenwiderstand 65 und der Wicklungen 25 und 31 an die Basiselektroden 7 und 13 der Transistoren 3 und 5 angeschlossen ist.
Die Batterie 63 stellt eine Vorspannungsquelle dar, die zur Unterstützung der von den Wicklungen 25 und 31 gelieferten Spannungen verwendet wird. Wenn der Magnetkern 21 gesättigt ist, so tritt eine Verringerung des magnetischen Flusses im Kern 21 ein, wie bei 55 in F i g. 2 angedeutet. Dies hat zur Folge, daß in der Wicklung 31 eine Spannung zur Einleitung des Leitzustandes des Transistors 5, wie vorangehend beschrieben, induziert wird. Wenn der Transistor 5 leitend zu werden beginnt, fließt Strom von der Batterie 63 durch dessen Emitterelektrode 15 und dessen Basiselektrode 13, wodurch die Leitfähigkeit des Transistors 5 wesentlich erhöht wird, so daß die vorangehend beschriebene Arbeitsfolge eingeleitet wird.
Die in der Wicklung 31 durch die Sättigung des Kerns 21 induzierte Spannung hat mithin noch zur Folge, daß die Batterie 63 an den Transistor 5 angeschaltet wird. Die Batterie 63 kann als konstante Stromquelle betrachtet werden. Sie ist zwischen der Basiselektrode 13 und dem Emitter 15 des Transistors 5 geschaltet, um das Fließen eines übermäßig starken Stroms zwischen dem Emitter 15 und der Basiselektrode 13 zu verhindern, wenn in der Wicklung 31 durch die Batterie 1 relativ hohe Spannungen induziert werden. Daher kann die Zahl der Windungen der Wicklung 31 größer gewählt werden als es ohne die Batterie 63 möglich wäre, und die Spannungswerte der Batterie 1 für das Einleiten des Leitzustandes des Transistors 5 können vermindert werden. Es wurde festgestellt, daß bei der vorangehend beschriebenen Anordnung die Frequenz der an den Klemmen 49 und 51 auftretenden Wechselspannung über einen großen Spannungsbereich im wesentlichen proportional der Spannung der Batterie 1 ist.
Sofern der Wechselrichter die in F i g. 5 gezeigte Schaltung aufweist, kann die Linearität der Kurve 59 weiter verbessert werden. Bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform der Erfindung wird ein Teil der Spannungsquelle 1 in Verbindung mit der Batterie 63 als Vorspannung zwischen der Basiselektrode und der Emitterelektrode der Transistoren 3 und 5 verwendet. Zu diesem Zweck ist die positive Klemme der Vorspannungsbatterie 63 mit einer Mittelanzapfung 67 der Spannungsquelle 1 verbunden. Bei dieser Anordnung wurde festgestellt, daß das gewünschte lineare Verhältnis zwischen der Frequenz der Ausgangswechselspannung und der Spannung der Batterie 1 selbst bei relativ hohen Spannungswerten derselben im wesentlichen erzielt wird.
Hierbei ist zu erwähnen, daß der Gleichspannungseingang der in F i g. 1, 4 und 5 gezeigten Wechselrichterschaltungen durch die nicht gezeigte Kombination eines Wechselspannungseingangs mit einem in Reihe oder in Brücke geschalteten Gleichrichterelement ersetzt werden kann. Bei einer solchen Anordnung wird der Leitzustand der Transistoren 3 und 5 jedesmal umgeschaltet, wenn das Zeitintegral der Eingangsspannung zur Sättigung des Kerns ausreicht.

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Selbstgesteuerter Wechselrichter mit zwei im Gegentakt auf die Primärwicklung eines Transformators arbeitenden Transistoren, deren Steuerelektroden derart an sekundäre Steuerwicklungen des Transformators angeschlossen sind, daß je-
weils der sich öffnende Transistor während seiner gesamten Öffnungszeit ein Öffnungspotential und der andere Transistor während der gleichen Zeit ein Sperrpotential erhält, wobei die Umsteuerung der beiden Transistoren durch in den Steuerwicklungen induzierte Spannungen entgegengesetzter Richtung eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzielen der Steuerspannung der Transformator einen Kern aus einem Material mit im wesentlichen rechteckiger Hysteresisschleife besitzt und der Kern zur Sättigung innerhalb des Bereiches der Primärspannung bemessen ist.
2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Steuerkreis eine Zusatzspannung wirksam ist.
3. Wechselrichter nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzspannung einen Teil der Spannung der primären Gleichspannungsquelle enthält.
4. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand (58) an die Basis eines der Transistoren und an die negative Klemme der Gleichspannungsquelle geschaltet ist.
ίο In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 634 593, 665 379, 128;
Proceedings of the I. R. E., Februar 1954, S. 391 bis 401;
Elektrotechnik und Maschinenbau, 1940,
Heft 37/38, S. 383.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
409 599/147 6.64 © Bundesdruckerei Berlin
DEW16284A 1954-04-06 1955-03-21 Selbstgesteuerter Wechselrichter mit Transistoren Pending DE1171983B (de)

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