DE1283349B - Wechselrichterschaltung fuer Mehrphasenwechselstrom - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES 4MTWt PATENTAMT Int. Cl.:

H 02 m

AUSLEGESCHRIFT

H02p

Deutsche KL: 21 d2 -12/03

Nummer: 1283 349

Aktenzeichen: P 12 83 349.7-32 (B 56927)

Anmeldetag: 4. März 1960

Auslegetag: 21. November 1968

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wechselrichterschaltung für Mehrphasenwechselstrom, bei der die Phasenwicklungen eines gemeinsamen Ausgangstransformators aus einer Gleichstromquelle über steuerbare Ventile gespeist sind, deren Steuerkreise an Ausgängen eines von einem Impulsgenerator gespeisten Impulsverteilers angeschlossen sind, der im Takt der zu erzeugenden Mehrphasenwechselspannung in periodischer Aufeinanderfolge Steuerimpulse an seinen Ausgängen abgibt.

Eine Wechselrichterschaltung dieser Art ist bekannt. Sie bietet grundsätzlich den Vorteil, daß man durch Verändern der Impulsfrequenz des Impulsgenerators in einfachster Weise die Frequenz des erzeugten Mehrphasenwechselstroms verändern oder regeln kann. Diesem Vorteil steht der für den Impulsgenerator und insbesondere für den Impulsverteiler erforderliche Schaltungsaufwand gegenüber. Bei hohen Werten der umzuwandelnden elektrischen Leistung wird auch bei Anwendung bekannter Halb- so leiterbauteile die für die steuerbaren Ventile erforderliche Steuerleistung so hoch, daß der schaltungstechnische Aufwand und der Platzbedarf für den Impulsverteiler gegenüber dem Aufwand für die steuerbaren Ventile stark ins Gewicht fallen; auch kann dann der bei einer fehlerhaften Funktion des Impulsverteilers auftretende Schaden erheblich sein, so daß die Betriebs-Zuverlässigkeit des Impulsverteilers besonders wichtig wird.

Die Erfindung geht deshalb von der Aufgabe aus, eine Wechselrichterschaltung der eingangs angegebenen Art so zu verbessern, daß auch bei Auslegung auf hohe zu übertragende Leistungen der bauliche Aufwand und der Platzbedarf gering bleiben und eine hohe Zuverlässigkeit der die steuerbaren Ventile steuernden Schaltelemente gewährleistet ist.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer Wechselrichterschaltung der eingangs angegebenen Art dadurch gelöst, daß der Impulsverteiler aus einem magnetischen Schieberegister besteht, das für jeden Steuerkreis der steuerbaren Ventile einen Kern aufweist, der mit einer Steuerwicklung, einer Eingangswicklung und einer mit einem steuerbaren Ventil verbundenen Ausgangswicklung versehen ist, die über eine Verzögerungsschaltung an die Eingangswicklung eines folgenden Kerns angeschlossen ist, und daß zum Einschalten des Wechselrichters ein Kern gegenüber allen anderen entgegengesetzt magnetisiert ist. Vorzugsweise weisen die Kerne je eine Rückstellwicklung auf, die an eine gemeinsame, kurzzeitig einschaltbare Hilfsgleichstromquelle angeschlossen sind.

Wechselrichterschaltung
für Mehrphasenwechselstrom

Anmelder:

Borg-Warner Corp., Chicago, JU. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing Hermann Negendank, Patentanwalt,

2000 Hamburg

Als Erfinder benannt:

Edward M. Schmidt, Evanston, JIl. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 6. März 1959 (797 803)

Bei der erfindungsgemäßen Wechselrichterschaltung sind somit in dem für die Funktion der steuerbaren Ventile maßgebenden Impulsverteiler ausschließlich unempfindliche, räumlich kleine, preiswerte und zuverlässige Bauelemente vorhanden, und überdies besteht der Vorteil, daß sämtliche Bauteile des Impulsverteilers aus passiven Schaltelementen bestehen können. Beim Einschalten des erfindungsgemäßen Wechselrichters ist dafür gesorgt, daß ein Kern gegenüber allen anderen entgegengesetzt magnetisiert ist, so daß das richtige Einsetzen der Funktion des Impulsverteilers nicht davon abhängt, in welchem Schaltzustand das Schieberegister beim vorausgegangenen Abschalten verblieben ist.

Es ist zwar schon eine Wechselrichterschaltung bekanntgeworden, bei der in den Steuerkreisen von steuerbaren Ventilen ebenfalls transformatorartige elektromagnetische Einrichtungen mit einem Kern pro steuerbarem Ventil vorgesehen sind, doch bilden diese Einrichtungen nicht die Teile eines Schieberegisters, sondern stellen magnetische Verstärker dar, die mit Hilfe einer steuerbaren Gleichstrom-Vormagnetisierung eine automatische Regelung der Löschzeitpunkte der steuerbaren Ventile oder eine automatische Regelung des Leistungsfaktors bewirken. Die Steuerung der Zündzeitpunkte der steuerbaren Ventile erfolgt bei dieser bekannten Schaltung

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mit einem rotierenden Generator oder Phasenschie- ist, welche mit Hilfe des Schalters 55 kurzzeitig einber, der mit der zu erzeugenden Mehrphasen- schaltbar ist. Die Leitung 41 ist geerdet. Die Polari-Wechselspannung gespeist wird. tat der Rückstellwicklungen 31 ist bei fünf der sechs

Auch in anderen bekannten Wechselrichterschal- Kerne des Schieberegisters gleich, während im sechtungen, bei denen Transformatoren oder ähnliche 5 sten Kern der Magnetisierungssinn der Rückstell-Einrichtungen in den Steuerkreisen der steuerbaren wicklung 31 umgekehrt ist, so daß beim Einschalten Ventile verwendet werden, üben diese Einrichtungen der Hilfsgleichstromquelle dieser eine Kern gegennicht die Funktion eines Impulsverteilers aus und über allen anderen Kernen entgegengesetzt magnetisind deshalb mit der erfindungsgemäßen Wechsel- siert wird.

richterschaltung nicht vergleichbar. Ferner sind io Zu jedem der steuerbaren Ventile 13 bis 18 gemagnetische Schieberegister grundsätzlich bekannt, hört ein Steuerkreis. In Fig. 2 sind für die Ventile jedoch in anderen Anwendungsgebieten, vornehmlich 15 und 16 die Steuerkreise 42 und 48 im einzelnen für Informations- und Datenverarbeitung. dargestellt. Zum Steuerkreis 42 gehört ein Puffertran-

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines sistor 43 und eine Diode 44. Die Basis 43 b des Puf-Ausführungsbeispiels näher beschrieben, das in den 15 fertransistors 43 ist mit dem zugehörigen Ausgang 39 Zeichnungen dargestellt ist. Es zeigt des Schieberegisters 23 verbunden; der Emitter 43 e

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemä- ist mit der Anode der Diode44 verbunden, und der ßen Wechselrichterschaltung, Kollektor 43 c ist über einen Widerstand 45 an den

F i g. 2 eine ausführlichere Darstellung der in positiven Pol einer Gleichstromquelle angeschlossen. Fig. 1 angedeuteten Wechselrichterschaltung. 20 Beim steuerbaren Ventil 15 ist die Steuerelektrode

Die in Fig. 1 als Blockschaltbild dargestellte 15 g an die Kathode der Diode 44 angeschlossen; die Wechselrichterschaltung 10 besteht aus einem Im- Kathode 15 c ist mit der Masseleitung 46 und die pulsgenerator 11. einem Impulsverteiler 12, einer An- Anode 15 α ist mit einem Ende einer Primärwickzahl von steuerbaren Ventilen 13 bis 18 und einem lung 47 des gemeinsamen Ausgangstransformators 19 gemeinsamen Ausgangstransformator 19. Ferner 35 verbunden.

kann ein Spannungsregler 20 vorgesehen sein. Die Der Steuerkreis 48 des steuerbaren Ventils 16 ent-

vom Impulsgenerator 11 gelieferten Impulse werden hält einen Puffertransistor 49 und eine Diode 50. dem Impulsverteiler 12 zugeführt und dieser liefert Beim Puffertransistor 49 ist die Basis 49 b mit dem in richtiger zeitlicher Verteilung Steuerimpulse an die Ausgang des Schieberegisters 26, der Kollektor 49 c steuerbaren Ventile 13 bis 18, die dadurch die ihnen 30 über den Widerstand 45 mit der Gleichstromquelle zugeordneten Wicklungen des gemeinsamen Aus- und der Emitter 49 e mit der Anode der Diode 50 gangstransformators 19 aus einer (nicht dargestellten) verbunden. Beim steuerbaren Ventil 16 ist die Steuer-Gleichstromquelle speisen, so daß eine an die Aus- elektrode 16 g an die Kathode der Diode 50 angegangsklemmen angeschlossene Last in der gewünsch- schlossen; die Kathode 16 c steht mit der Masseleiten Weise mit Mehrphasenwechselstrom versorgt 35 tung 46 in Verbindung, und die Anode 16 α ist mit wird. dem anderen Ende der Primärwicklung 47 des ge-

Wie in Fig. 2 näher dargestellt ist, besteht der meinsamen Ausgangstransformators 19 verbunden. Impulsverteiler 12 aus einem sechsstufigen magneti- Zwischen die Anoden 15« und 16 a ist ein Kommuschen Schieberegister 21 bis 26. Jede Stufe enthält tierungskondensator 51 geschaltet. Zwischen einer einen magnetisierbaren Kern 27 und vier Wicklun- 40 Mittelanzapfung der Wicklung 47 und dem positigen 28, 29, 30 und 31, die in der Lage sind, die ven Pol 53 der Gleichstromquelle liegt eine Drosselmagnetische Sättigung des Kerns 27 zu beeinflussen. spule 52.

Bei jedem Kern bildet die Wicklung 28 eine Steuer- In entsprechender Weise ist der Ausgang des

wicklung; sämtliche Steuerwicklungen sind in Reihe Schieberegisters 21 mit dem Steuerkreis des steuergeschaltet und werden über die Leitungen 32 und 33 45 baren Ventils 13, der Ausgang des Schieberegisters aus dem Impulsgenerator 11 mit Steuerimpulsen ver- 22 mit dem Steuerkreis des steuerbaren Ventils 18, sorgt. Die Wicklungen 29 und 30 bilden Eingangs- der Ausgang des Schieberegisters 24 mit dem Steuerbzw. Ausgangswicklungen. Jede Eingangswicklung 29 kreis des steuerbaren Ventils 14 und der Ausgang des ist mit der Ausgangswicklung 30 des vorhergehenden Schieberegisters 25 mit dem Steuerkreis des Steuer-Kerns über eine Verzögerungsschaltung 34 ver- 50 baren Ventils 17 verbunden. Die steuerbaren Ventile bunden. 13 und 14 sowie 17 und 18 werden ebenso wie die

Die Verzögerungsschaltung 34 enthält einen Kon- steuerbaren Ventile 15 und 16 paarweise betrieben, densator 35, eine Spule 36, einen Widerstand 37 und Die Ausgänge der Ventile 13 und 14 bzw. der Veneine Diode 38. Die Spule 30 ist mit ihrem einen Ende tile 17 und 18 sind ebenfalls an Primärwicklungen über die aus der Diode 38, der Spule 36 und dem 55 des gemeinsamen Ausgangstransformators 19 ange-Widerstand 37 bestehende Reihenschaltung an das schlossen. In der Leitung 40 ist ein Widerstand 54 eine Ende der nachfolgenden Eingangswicklung 29 vorgesehen.

angeschlossen. Das andere Ende der Ausgangswick- Zur Inbetriebnahme wird der Schalter 55 kurzzei-

lung 30 ist direkt mit dem anderen Ende der nach- tig geschlossen. Dadurch werden sämtliche Rückstellfolgenden Eingangswicklung verbunden; dieses an- 60 wicklungen 31 mit Strom gespeist, der die zugehöridere Ende ist über den Kondensator 35 mit der Ver- gen Kerne 27 magnetisch sättigt. Alle Kerne 27 bis bindung 39 zwischen der Diode 38 und der Spule auf einen werden im gleichen Sinn magnetisch gesät-36 verbunden. Diese Verbindung 39 bildet einen tigt; in dem einen Kern ist die Polarität der RückAusgang des Impulsverteilers und ist an den Steuer- Stellwicklung 31 umgekehrt, so daß die magnetische kreis des zugehörigen steuerbaren Ventils 15 ange- 65 Sättigung mit umgekehrten Vorzeichen erfolgt, schlossen. Die Kerne des Schieberegisters tragen fer- Der Impulsgenerator 11 liefert eine Serie schma-

ner je eine Rückstellwicklung 31, die über Leitungen ler Impulse gleicher Polarität über die Leitungen 32 40, 41 an eine Hilfsgleichstromquelle angeschlossen und 33 in die Reihenschaltung der Steuerwicklungen

28 der Stufen des Schieberegisters 21 bis 26. Je nach dem Vorzeichen des magnetischen Sättigungszustandes in den Kernen bewirkt ein vom Impulsgenerator kommender Impuls entweder eine Umschaltung des Kerns 27 in den entgegengesetzten magnetischen Zustand oder lediglich ein Verbleiben des Kerns in dem vorgegebenen magnetischen Sättigungszustand. Von jedem der Impulse wird nur einer der Kerne, z. B. 27, umgeschaltet. Beim Umschalten der Magnetisierungsrichtung eines Kerns 27 wird in der Ausgangswicklung 30 dieses Kerns eine Spannung induziert, die über die zugehörige Diode 38 dem Steuerkreis des zugehörigen steuerbaren Ventils zugeführt wird; außerdem wird diese Spannung über die Verzögerungsschaltung 34 der Eingangswicklung 29 der nachfolgenden Stufe des Schieberegisters zugeführt. Die Verzögerungsschaltung 34 verzögert die Einwirkung dieser Spannung auf die Eingangswicklung 29 der nachfolgenden Stufe des Schieberegisters, bis der betreffende Steuerimpuls des Impulsgenerators zu Ende ist. Die danach an der Eingangswicklung 29 wirksam werdende Spannung aus der Ausgangswicklung 31 des vorausgehenden, umgeschalteten Kerns bereitet den betreffenden Kern 27 auf die Umschaltung durch den nächsten aus dem Impulsgenerator 11 kommenden Steuerimpuls vor. Jedesmal beim Ummagnetisieren eines Kerns bewirkt der dadurch erzeugte Ausgangsimpuls eine Veränderung des Leitzustandes des zugehörigen steuerbaren Ventils.

Der vom Ausgang 39 der Basis 43 b des Puffertransistors 43 zugeführte Ausgangsimpuls öffnet den Puffertransistor 43; über die Diode 44 fließt ein impuls zur Steuerelektrode 15 g des steuerbaren Ventils 15. Dieser ankommende Impuls schaltet das steuerbare Ventil 15 vom nichtleitenden in den leitenden Zustand. Sobald das steuerbare Ventil 15 in den leitenden Zustand geschaltet wird, fällt die Spannung an der Anode 15 a steil ab, und diese Spannungsänderung wird über den Kondensator 51 an der Anode 16 α wirksam, so daß das steuerbare Ventil 16 vom leitenden in den nichtleitenden Zustand umgeschaltet wird. Somit wird durch die starke Änderung der Spannung an der Anode 15 a ein Stromfluß vom positiven Pol 53 der Gleichstromquelle über die Drosselspule 52 und die zugehörige Primärwicklung 47 des gemeinsamen Ausgangstransformators 19 zur Masseleitung 46 hervorgerufen.

Betrachtet man einen vollständigen Arbeitszyklus, so erkennt man, daß jede Stufe des Schieberegisters 21 bis 26 eines der steuerbaren Ventile 13 bis 18 während 60° des Zyklus in den Leitzustand versetzt. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, daß der Ausgang des Schieberegisters 23 mit dem Steuerkreis des Ventils 15 und der Ausgang des Schieberegisters 26 mit dem Steuerkreis des steuerbaren Ventils 16 verbunden ist, so daß die Leitzustände dieser Ventile um 180° phasenverschoben sind. In entsprechender Weise sind die steuerbaren Ventile 13 und 14 bzw. und 18 an die Ausgänge der Schieberegister 21 bis 26 angeschlossen. Außerdem sind die Leitzustände der steuerbaren Ventile 13 und 14 gegen die Leitzustände der steuerbaren Ventile 15 und 16 sowie gegen die Leitzustände der steuerbaren Ventile und 18 jeweils um 120° phasenverschoben. Es ist möglich, die gesamte Wechselrichterschaltung 10 mit Ausnahme der Eingangs- und Ausgangsanschlüsse in gedruckter Schaltung auszuführen und in passende Behälter mit Paraffin oder einem anderen geeigneten Vergußmaterial einzugießen. Eine solche Konstruktion verringert die Auswirkung von Umgebungseinflüssen und macht die Schaltung unempfindlich gegen Erschütterungen.

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. Wechselrichterschaltung für Mehrphasenwechselstrom, bei der die Phasenwicklungen eines gemeinsamen Ausgangstransformators aus einer Gleichstromquelle über steuerbare Ventile gespeist sind, deren Steuerkreise an Ausgängen eines von einem Impulsgenerator gespeisten Impulsverteilers angeschlossen sind, der im Takt der zu erzeugenden Mehrphasenwechselspannung in periodischer Aufeinanderfolge Steuerimpulse an seinen Ausgängen abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsverteiler (12) aus einem magnetischen Schieberegister (21 bis 26) besteht, das für jeden Steuerkreis (z. B. 42, 48) der steuerbaren Ventile (z. B. 15, 16) einen Kern (27) aufweist, der mit einer Steuerwicklung (28), einer Eingangswicklung (29) und einer mit einem der steuerbaren Ventile (z. B. 15) verbundenen Ausgangswicklung (30) versehen ist, die über eine Verzögerungsschaltung (34) an die Eingangswicklung eines folgenden Kerns angeschlossen ist, und daß zum Einschalten des Wechselrichters ein Kern gegenüber allen anderen entgegengesetzt magnetisiert ist.

   2. Wechselrichterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerne je eine Rückstellwicklung (z. B. 31) aufweisen, die an eine gemeinsame kurzzeitig einschaltbare Hilfsgleichstromquelle angeschlossen sind.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 478 645, 493 810; schweizerische Patentschrift Nr. 319 756; USA.-Patentschriften Nr. 2 222 700, 2 747110; »Elektronische Rundschau«, 1958, Nr. 10, S. 532; »Feinwerktechnik«, 1958, H. 12, S. 428; »Proceedings of the IEE«, Mai 1957, S. 571 bis

   574.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen