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Anordnung zum Steuern einer Wechselspannung Die Erfindung bezieht
sich auf eine Anordnung zum Steuern einer Wechselspannung an einem Verbraucher.
Es ist bereits bekanntgeworden, den Verbraucher hierzu über zwei antiparallelgeschaltete
steuerbare Halbleiter-Gleichrichterzellen - häufig auch als Thyristoren bezeichnet
- an eine Wechselspannungsquelle anzuschließen und durch Veränderung der Phasenlage
der den Thyristoren zugeführten Zündimpulse relativ zu der Speisewechselspannung
die Verbraucherspannung zu steuern. Eine derartige Anordnung ist jedoch nicht ohne
weiteres brauchbar, wenn der Verbraucher eine erhebliche kapazitive Komponente besitzt
oder dem Verbraucher ein Glättungsfilter vorgeschaltet ist. Letzteres ist aber immer
erforderlich, wenn der Stromkreis periodisch unterbrochen wird, der Verbraucher
aber mit einer sinusförmigen Spannung gespeist werden soll. Die Ursache hierfür
liegt darin, daß die üblichen Thyristoren nur so lange gesteuert werden können,
wie die maximale Betriebsspannung in Durchlaßrichtung unterhalb einer bestimmten
Grenze liegt. Steigt die Betriebsspannung über diese Grenze an, dann wird der Thyristor
durchlässig, auch wenn kein Zündimpuls zugeführt wurde. Dieser Fall tritt aber bei
Belastung mit einem Verbraucher mit kapazitivem cos (p auf, wenn der Stromkreis
noch induktive Elemente - wie den Ausgangstransformator eines Wechselrichters -
enthält. Die kapazitive Komponente des Verbrauchers bildet nämlich zusammen mit
den Induktivitäten des Wechselrichters oder auch mit denen eines dem Verbraucher
vorgeschalteten Filters einen Serienresonanzkreis, in dem auch die Thyristoren liegen.
Wird der Stromfiuß durch einen der beiden Thyristoren vorzeitig unterbrochen, dann
wird das andere Ventil durch die Spannung an dem kapazitiven Teil des Verbrauchers
in Durchlaßrichtung beansprucht. Diese Spannung kann ein Mehrfaches der Betriebsspannung
betragen und kann sogar zur Zerstörung der Thyristoren führen.
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Zur Begrenzung der Betriebsspannung und vor allem von kurzzeitigen
Spannungsstößen wurden bereits RC-Glieder und Gleichrichter mit ausgeprägter Schwellspannung
verwendet. Diese Bauelemente sind jedoch zur Lösung des hier vorliegenden Problemes
nicht geeignet, da sie die hier auftretenden hohen überspannungen nicht ausreichend
und wirksam zu begrenzen vermögen. Außerdem ermöglichen sie keine Rückgewinnung
der Energie.
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Um auch in den geschilderten Fällen eine einwandfreie Steuerung der
Wechselspannung zu ermöglichen und zugleich die Thyristoren zu schützen, wird daher
erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Thyristoren die Primärwicklung eines Hilfstransformators
parallel zu schalten, dessen Sekundärwicklung über eine Gleichrichteranordnung an
eine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist. Das übersetzungsverhältnis dieses
Transformators wird so gewählt, daß der Gleichstrommittelwert der auf die Sekundärseite
des Transformators übersetzten Betriebsspannung der Thyristoren erst die Größe der
Spannung der Gleichsspannungsquelle erreicht, wenn die Spannung an den Thyristoren
einen maximal zulässigen Wert erreicht.
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Besondere Bedeutung kommt der Erfindung zu, wenn mit Hilfe eines Wechselrichters
aus einer Gleichspannung eine steuerbare Wechselspannung erzeugt werden soll. Für
solche Anwendungen kann eine zusätzliche Verbesserung dadurch erreicht werden, daß
der Verbraucher über antiparallelgeschaltete Thyristoren an den ungesteuerten Wechselrichter
angeschlossen und die Spannung am Verbraucher durch Veränderung der Phasenlage der
diesen Thyristoren zugeführten Zündimpulse auf den gewünschten Wert gebracht wird.
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Sehr oft besteht auch die Forderung, aus einer Gleichspannung eine
stetig steuerbare sinusförmige Wechselspannung zu erzeugen. Da die üblichen Wechselrichter
rechteckförmige Spannungen liefern, wird dies im allgemeinen mit Hilfe von LC-Siebkreisen
erreicht, die dem Verbraucher vorgeschaltet sind. Meist bestehen diese Filter aus
einem dem Verbraucher parallelliegenden Parallelresonanzkreis und einem mit ihm
in Serie liegenden Serienresonanzkreis. Bei Veränderung des Zündwinkels der Thyristoren
würde in diesem Fall der Energieaustausch zwischen Kondensator und Induktivität
des Serienresonanzkreises unterbrochen und dadurch die gesamte Kondensatorspannung,
die je nach Lage des Schaltzeit
punktes ein Vielfaches der Betriebsspannung
betragen kann, an den Thyristoren liegen. Mit Hilfe der Erfindung läßt sich auch
in diesem Fall eine einwandfreie Steuerung erzielen.
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Verwendet man den Anmeldungsgegenstand zusammen mit einem ungesteuerten
Wechselrichter, dann läßt sich eine weitere Vereinfachung der gesamten Anordnung
dadurch erzielen, daß man den Hilfstransformator über die Gleichrichteranordnung
an die Gleichspannungsquelle anschließt, die auch den Wechselrichter speist. Dabei
wird man vorzugsweise das übersetzungsverhältnis des Hifstransformators dem des
Ausgangstransformators des Wechselrichters anpassen.
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Ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in F i g.
1 dargestellt. Dort ist mit 11 eine Wechselspannungsquelle, z. B. ein ungesteuerter
Wechselrichter bezeichnet, der eine periodische rechteckförmige Ausgangsspannung
liefert. Ein Verbraucher 12 ist an diesen Wechselrichter über zwei antiparallelgeschaltete
Thyristoren 131, 132 angeschlossen. Diesen Strömtoren werden Zündimpulse von einem
nicht eingezeichneten Steuersatz zugeführt, deren Frequenz der des Wechseh-ichters
11 entspricht und deren Phasenlage gegenüber der Wechselspannung stetig verändert
werden kann: -Den beiden Thyristoren ist die Primärwicklung 141 eines Hilfstransformators
14 parallel geschaltet, dessen Sekundärwicklung .142 . über eine Gleichrichteranordnung
15 an eine Gleichstromquelle 16 angeschlossen ist. Als Gleichrichteranbrdnung kommt
dabei vorzugsweise -eine Brückenschaltung in Frage. Es kann- aber auch eine Mittelpunktschaltung
gewählt werden, wozu die Sekundärwicklung 142 des Transformators 14 mit -einer-
Mittelanzapfung versehen sein muß.
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Hat die von -dem Wechselrichter 11 gelieferte Spannung beispielsweise
die eingezeichnete Polarität, dann ist der Thyristor 131 durchlässig. Während des
Stromflusses über diesen Thyristor laden sich die im Verbraucher 12 vorhandenen
Kapazitäten so auf, - daß die mit den Thyristoren verbundene Klemme des Verbrauchers
positiv gegenüber der anderen ist. Diese Kapazitäten bilden mit den Induktivitäten
im Verbraucher, und/oder im Wechselrichter 11 einen Serienresonanzkreis. Eine vorzeitige
Sperrung des Thyristors 131 hat- daher einen sehr schnellen Spannungsanstieg an
den Thyristoren zur Folge. Diese Spannung beansprucht das Ventil 131
in Sperrichtung
und das Ventil 132 in Durchlaßrichtung. Diese Spannung -kann ein Vielfaches
der vom Wechselrichter - gelieferten Betriebsspannung sein, wenn das gerade durchlässige
Ventil (131) zu einem Zeitpunkt gesperrt wird,- zu- dem die gesamte Energie des
Serienresonanzkreises noch überwiegend im Kondensator gespeichert ist, weil dann
kein Energieaustausch zwischen Kondensator und Drossel mehr möglich ist. Durch-die
Erfindung wird aber erreicht, daß die an den Thyristoren liegende Spannung niemals
einen Wert übersteigen kann, der durch die Größe der Spannung der Quelle 16 und
das übergetzungsverhältnis des Transformators 14 gegeben ist. Solange die Spannung
an den Thyristoren unter diesem Grenzwert liegt, hat die Primärwicklung 141 des-
Hilfstransformators 14 einen sehr hohen induktiven Widerstand, da im Sekundärkreis
kein Strom fließen kann, weil die Sekundärspannung noch "unter der Spannung der
Quelle 16 liegt und die Gleichrichteranordnung 15 in Sperrichtung beansprucht ist.
überschreitet jedoch die an den Ventilen liegende Spannung den erwähnten Grenzwert,
dann ist sekundärseitig der Transformator 14 praktisch kurzgeschlossen, so daß über
seine Primärwicklung nur durch die Widerstände, insbesondere der Stromquelle 16,
begrenzt praktisch jeder beliebige Strom fließen kann. über diese Wicklung kann
dann ein Energieaustausch zwischen dem kapazitiven Scheinwiderstand und dem induktiven
der gesamten Anordnung erfolgen, so daß eine weitere Zunahme der Spannung an den
Thyristoren ausgeschlossen ist.
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F i g. 2 zeigt die Anwendung der Erfindung zur Erzeugung einer steuerbaren
sinusförmigen Wechselspannung aus einer Gleichspannung, die von einer Quelle 27
geliefert wird. Diese Quelle speist einen in bekannter Weise aufgebauten Wechselrichter
21, dessen Schaltung vereinfacht dargestellt ist und der an der Sekundärwicklung
des Ausgangstransformators 211 eine periodische rechteckförmige Spannung liefert:
Die Ausgangsklemmen 291, 292 des gesamten Wechelrichetrs sind mit den Klemmen der
Sekundärwicklung des Transformators 211 über zwei antiparallelgeschaltete Thyristoren
231, 232 und über einen aus einer Drossel 281 und einem Kondensator 282 bestehenden
Serienresonanzkreis 28 angeschlossen. Parallel zu den Ausgangsklemmen liegt noch
ein Parallelresonanzkreis 20. Die den Wechselrichter 21 speisende Batterie 27 ist
außerdem über die Gleichrichteranordnung 25 und den Hilfstransformator 24 den beiden
Stromtoren 231, 232 parallel geschaltet. Die Arbeitsweise dieser Anordnung entspricht
ganz der der Anordnung nach F i g.1. Während dort Hilfstransformator 14 und- Stromquelle
16 nur der Vermeidung von Schwierigkeiten infolge von kapazitiver Belastung dienen,
sind sie bei der Anordnung nach F! g. 2 integrierender Bestandteil des gesamten
Wechselrichters, da auch bei rein ohmscher Belastung des Wechselrichters an den
Klemmen 291, 292 auf Grund der Wirkung des Serienresonanzkreises 28 sehr
hohe überspannungen an den Thyristoren auftreten können.