DE1438414A1

DE1438414A1 - Selbstgefuehrter Wechselrichter mit Kommutierungsschwingkreis

Info

Publication number: DE1438414A1
Application number: DE19621438414
Authority: DE
Inventors: Skudelny Dr-Ing Hans Christoph; Depenbrock Dipl-Ing Manfred
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1962-12-17
Filing date: 1962-12-17
Publication date: 1969-01-23
Also published as: SE311190B; GB1021536A; FR1387942A; US3303407A; CH433499A

Description

BBC ■ ' "" " '-1438ΪΤ5

BROWN, BOVERl & ClE Mannheim, den 3o. November 1962 AfcHMg^ibd«· _{Pat# ML}/_Ro

MANNHEIM

— Mp-Nr. 679/62

Selbstgeführter Wechselrichter mit Kommutierungsschwingkreis,

Selbstgeführte Wechselrichter erfordern neben der die Frequenz des zu erzeugenden Wechselstromes oder der Wechselspannung bestimmende 'Steuerung in der Regel noch zusätzliche Vorkehrungen, um die Ablösung der gesteuerten Ventile sicherzustellen. Die Steuerung oder Taktgabe des Wechselrichters erfolgt bei einem fremdgesteuerten Wechselrichter durch einen getrennten selbsterregten Impulsgeber. Bei einem selbstgesteuerten Wechselrichter kann die Bildung der Steuerimpulse durch die Wirkung zusätzlicher Schaltungselemente des Wechselrichters, welche einen Schwingkreis bilden, ermöglicht werden. Diese Schaltungselemente kann man nötigenfalls so bemessen, dass die zwischen ihnen zum Austausch gelangende Energie mit dazu herangezogen . werden kann, Ausgleichsströme zu unterhalten, welche die Ventilablösungen erzwingen, also denjenigen Vorgang herbeiführen, den man bekanntlich als Kommutierung bezeichnet.

Die für die Kommutierung erforderlichen Ausgleichsströme, welche den Stromfluss in einem gerade gezündeten Ventil einleiten und den Stromfluss in dem abzulösenden Ventil bis zum Stromnulldurchgang herabmindern, können beispielsweise durch eine teilweise erfolgende Entladung des Kondensators erzeugt werden, welcher den einen Bestandteil des aus einem Kondensator und einer Induktivität bestehenden Schwingungskreises des Wechselrichters bildet. Dieser wird als Kommutierungs-Schwingkreis bezeichnet.

Der Kommutierungsvorgang ist, wie bekannt, im allgemeinen mit einer nachfolgenden, sprunghaft einsetzenden negativen Sperrspannung verbunden. Diese Sperrspannung nimmt für gewöhnlich schnell ab und geht dann nach'einer Zeit, innerhalb welcher daa betreffende Ventil seine volle Sperrfähigkeit in Durchlassrichtung erreicht haben muss, in die sogenannte positive Sperrspannung über. ■ _β Q* _β O 4 / O 3 9 β

Die amende jeder Kommutierung einsetzende negative Sperrspannung, deren -^-nfangswert auch als Sprungspannung bezeichnet wird, ist für die gesteuerten Ventile nachteilig« Bei Gasentladungsventilen bewirkt diese negative Sperrspannung innerhalb der Entionisierungszeit eine Beschleunigung der restlichen Hg-Ionen der Entladungsstrecke zur Anode, wodurch Anodenmaterial zerstäubt wird. Dieser Staub schlägt sich auf Isolationsstrecken nieder, bildet leitende Brücken und setzt auf diese Weise diejlebensdauer des Entladungsgef ässes herab. Bei steuerbaren Halbleiterventilen ist die sprunghaft einsetzende negative Sperrspannung aus anderen physikalischen Gründen schädlich.

Deshalb ist man in Jedem Falle bestrebt, sowohl bei fremdgeführten als auch bei selbstgeführten Wechselrichtern die Höhe des negativen SperrspannungsSprunges entweder klein zu halten, oder das Entstehen dieser Sperrspannung soweit als möglich zu unterbinden. Eine bekannte Möglichkeit zur Begrenzung der negativen Sperrspannung ist die AntiparaLlelschaltung eines ungesteuerten Ventils zu jedem der gesteuerten Ventile.

Die Anwendung einer derartigen Schutzvorkehrung gegen das Aufkommen negativer Sperrspannungen erfordert indessen besond-ere Maßnahmen* damit unter den dadurch erzwungenen Spannungsbedingungen die Kommutierung der sich ablösenden Ventile nach wie vor sichergestellt bleibt.

Als eine dafür geeingete Maßnahme ist für einen selbstgeführten Wechselrichter mit einem zur Belastung in Reihe geschalteten Kondensator vorgeschlagen worden, zu den steuerbaren Ventilen ungesteuerte Ventile antiparallel zu schalten und ausserdem den Kondensator und die, gegebenenfalls durch ZBätzliche Induktivitäten ergänzte Induktivität der Belastung so zu bemessen, dass sie einen Schwingkreis bilden, der eine etwas unterhalb dem aperiodischen Wert liegende Dämpfung aufweist und eine Schwin-

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gungsdauer ein wenig unterhalb der Periodendauer des zu erzeugenden Wechselstromes "besitzt, so daß der Strom jedes gesteuerten Ventiles vor der Freigabe des Stromflusses des zeitlich nachfolgenden Ventiles spätestens nach Durchlaufen einer HaIbschwingung durch Null geht. ( B 60 176 YIIId/21d²)

^Bei einem derartigen Wechselrichter ist die Kurvenform des Wechselstromes und der Wechselspannung durch die Schaltungselemente des Schwingkreises und damit durch die Art der Belastung mitbestimmt. Infolgedessen kann mit der Zuschaltung weiterer Belastungen mit verschiedenen Schaltungselementen eine Änderung der Kurvenform der Wechselspannung des Wechsel- —-richters eintreten, die den gestellten Bedingungen zuwiderläuft.

■üs ist aber erwünscht, dass die Kurvenform der Wechselspannung des Wechselrichters von der Höhe und der Art der Belastung nach Möglichkeit unabhängig ist. Dies ist nun der Fall, wenn der Wechselrichter eine reehteckförmige Wechselspannung mit von der Belastung unabhängiger F_requenz und unabhängigem Spannungsbetrag erzeugt.

Ein derartiger Wechselrichter erfordert einen Schwingkreis, der so in die Schaltung der Ventile eingefügt ist, dass seine Arbeitsweise, nämlich die Kommutierung der Ventile, in weiten. Grenzen von der Belastung unberührt bleibt. Ein solcher Wechselrichter ist der Gegenstand der E_rfindung.

Sie bezieht sich auf einen selbstgeführten Wechselrichter mit Kommutierungs-Schwingkreis und mit als Hauptventile bezeichneten gesteuerten Gasentladungs- oder Halbleiterventilen zur Erzeugung einer Wechselspannung mit lastunabhängiger rechteckiger Kurvenform.

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.Die -Erfindung sieht vor, dass jedem Ventilzweig mit einer Anordnung eines als Hauptventil wirksamen"gesteuerten Ventils ein aus einem Kondensator und einer Induktivität bestehender Schwingungskreis mit einer in Reihe geschalteten Anordnung eines als Kommutierungsventil bezeichneten gesteuerten Ventils und eines dazu antiparallel geschaltet-en ungesteuerten Ventils zugeordnet ist, wobei jedes Hauptventil und das diesem zugeordnete Kommutierungsventil mit dem Schwingkreis in einem von dem einen Pol der Gleichspannungsquelle des Wechselrichters zu dem anderen Pol dieser Gleiohspannungsquelle führenden leitungszug liegt und so gesteuert wlrd_; dass die Zündung des Hauptventils jedes Ventilzweiges zu Beginn der zugehörigen Halbwelle der Wechselspannung, und die Zündung des diesem zugeordneten KommutierungsvHntils um eine Zeitspanne vor dem .Ende derselben Halbwelle der Wechselspannung erfolgt, welche etwas grosser oder höchstens gleich einem Viertel der Schwingungsäauer des Schwingkreises jei/akl-t i;f. und wobei neben den genannten Ventilen noch ein weiteres ungesteuertes Ventil mit dem Schwingkreis ver unden ist, welches während der stromlosen Pause der vorgenannten Ventile durch Stromübernahme in den tJmladevorgang des Kondensators zur Vorbereitung der nächstfolgenden Halbwelle der Wechselspannung eingreift.

Im Anschluss an ein in Fig. 1 wiedergegebenes bekanntes Prinzipschaltbild eines Wechselrichters sind in Fig. Z - 3 zwei. Ausführungsbeispiele eines Wechselrichters nach der Erfindung in ihrer Grund schaltung dargestellt und in Tig. 4 - 11 durch Kurvendarstellungen hinsichtlich ihrer Arbeitsweise erläutert. Weitere Ausführungsbeispiele sind in der Schaltung Fig. 12 mit der Kurvendarstellung Pig. 13 und in der Schaltung"14 wiedergegeben. Alle Beispiele beziehen sich durchweg auf Wechselrichter z-ir Umformung von Gleichstrom in Einphasen-Wechselstrom bei rechteckförmiger Wechselspannung entsprechend einem zweipulsigeja

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' Betrieb. Dieser wird durch zwei Ventilzweige, welche sich in der Stromführung ablösen, ermöglicht. Die Speisung des Wechselrichters erfolgt durch eine Gleichspannungsquelle. Die Belastung, die von beliebiger Art sein kann, ist nicht wiedergegeben«

In Fig. 1 ist die bekannte G-rundschaltung eines zweipulsigen Wechselrichters mit einem Transformator in Mittelpunktsehaltung dargestellt, wobei die bei einem selbstgeführten Wechselrichter erforderlichen zusätzlichen Schaltungselemente für die Herstellung der Kurvenform der Wechselspannung und nötigenfalls für die Kommutierung fortgelassen sind. Der Wechselrichter besitzt zwei als Hauptventile bezeichnete gesteuerte Ventile l_;und 2, die als Gasentladungs- oder als Halbleiterventile ausgebildet sein können. Die Ventile sind mit der aus den Teilwicklungen 3 und 4 bestehenden Primärwicklung des Transformators verbunden, an dessen Sekundärwicklung 5 die erzeugte Wechselspannung abgenommen werden kann. Die Spannung der Gleichspannungsquelle ist mit TJ bezeichnet. Die Steuerung der Ventile erfolgt durch ein Steuergerät 6, durch welches die Frequenz der Wechselspannung bestimmt wird.

Die Ausbildung eines zweipulsigen Wechselrichters nach der Erfindung ist aus den in Fig. 2 und 3 dargestellten Schaltungsbeisplelen zu ersehen. Die in Fig. 2 gezeigte Anordnung entspricht der in Fig. 1 angenommenen Mittelpunktschaltung, die auch als Einwegschaltung bezeichnet ist, da jede der primären Teilwicklungen in nur einer Richtung stromdurchilossen ist. .Sie. iat eine Schaltung, bei der zwei Ventilzweige transformatorseitig zusammengefügt sind.

Bei der in Fig. 3 wiedergegebenen -Anordnung sind die zwei Ventilzweige durch Reihenschaltung der Gleichspannungsquellen und Anwendung einer einzigen gemeinsamen primären Transformatorwicklung zusammengefasst. Diese Schaltung wird als Zweiwegschal-

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tung bezeichnet, da bei ihr die primäre Transformatorwicklung in beiden Richtungen stromdurchflossen ist. Die Schaltung entspricht einer Gleichrichter-Anordnung in Y_erdopplerschaltung. Durch abermalige Verdopplung ihrer Ventilzweige entsteht die bekannte Einphaseh-Brückenschaltung, bei der die Mittelpunktsbildung der Gleichspannungsquelle entfällt. .

Es soll zuerst die in Fig. 2 gezeigte Mittelpunktsschaltung des W_eehselrichters nach der Erfindung näher beschrieben werden. Den als Hauptventile dienenden gesteuerten Ventilen 1 und 2 sind ungewteuerte Ventile 9 und Io antiparallel geschaltet. Den beiden hierdurch gebildeten Ventilzweigen des Wechselrichters sind zwei Schwingkreise mit Je einer in Reihe geschalteten Anordnung eines weiterhin als Kommutierungs-ventil bezeichneten Ventils und eines dazu antiparallel geschalteten ungesteuerten Ventils zugeordnet. Für den einen Ventilzweig des Wechselrichters sind das Kommktierungsventil 7 und das antiparallelgeschaltete ungesteuerte Ventil 11 vorgesehen. Diewe Ventilanordnung ist mit dem aus einem Kondensator 15 und einer Induktivität 16 gebildeten Reihenschwingkreis in Reihe geschaltet. Pur den anderen Ventilzweig.des Wechselrichters sind in entsprechender Anordnung das Kommutierungsventil 8 und das ungesteuerte Ventil 12 vorgesehen, mit denen der aus einem Kondensator 17 und einer Induktivität 18 gebildete Reihenschwingkreis in Reihe geschaltet ist.

Jedes Hauptventil liegt mit dem zugehörigen Kommutierungsventil in einem Leitungsstrang, welcher mit dem betreffenden Schwingkreis in Reihe von dem einen Pol zum anderen Pol der Gleich-' spannungsquelle führt.

Die Wirkungsweise des Wechselrichters nach Fig. 2 wir.d durch die Kurvendarstellung der Ströme und Spannungen in Fig_# 4 und die Stromlaufdiagramme Fig. 5 nis 8, welche sich auf die verschiedenen Zeitabschnitte der Darstellung Fig. 4 beziehen, erläutert.

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I¹Ig. 4 zeigt die zeitliche Abhängigkeit der Ströme und Spannungen in dem einen der zwei Ventilzweige des Wechselrichters, dessen Hauptventil mit 1 und dessen Kommutierungsventil mit 7 bezeichnet sind. Wie die in Fig. 4a gezeigten Kurven erkennen lassen, beginnt in dem mit t^ bezeichneten Zeitaugenblick die positive Halbwelle der mit U^ bezeichneten Wechsentspannung, dieser Augenblick ist durch die Zündung des Hauptventils 1 bestimmt. Durch die Stromführung des Hauptventils 1 ist die Teilwicklung 3 des Transformators mit der Gleichspannung· TJ verbunden, und damit erscheint eine dieser konstanten Spannung entsprechende Spannung an der Sekundärwicklung 5 des Trans-' formators. Unter Voraussetzung eines Übersetzungsverhältnisses

1 : 1 stimmt diese mit der Gleichspannung TJ überein. Die Zün-

S dung des Hauptventils 1 sowie der anderen gesteuerten Ventile erfolgt durch einen in Pig. 2 nicht wiedergegebenen Steuerimpulsgeber, durch den die Frequenz.f der Wechselspannung bestimmt ist.

Die negative Halbwelle der Wechselspannung wird durch die Zündung des.Hauptventils 2 des anderen Ventilzweiges eingeleitet. Nach der Zündung des Hauptventils 1 im Augenblick t, wird auch das ungesteuerte Ventil 11 stromführend und damit der Schwingkreis mit dem Kondensator 15 und der Induktivität 16 an Spannung gelegt. Die Folge davon ist ein sinusförmig anschwingender Ladestrom i« des Kondensators 15 und eine Aufladung dieses Kondensators gemäss der ebenfalls sinusförmigen Spannung u«, die der Gleichspannung überlagert ist. Wie Fig. 4c erkennen lässt, ist der Stromfluss des Ventils 11 mit dem Stromnulldurchgang νο,η i^ im Zeitpunkt t₂ beendet. Hiernach ist die Kondensatorspannung Uq, welche in Fig. 4a eingetragen ist, auf den doppelten ^wert der Gleichspannung, also auf

2 TJ _ angestiegen.

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Die Kapazität C des Kondensators 15 und die Induktivität It von 16 sind so bemessen, dass die Eigenfrequenz

■f. -

2 IT fTÖ

grosser ist als die durch den Steuerimpulsgeber bestimmte Frequenz f der Wechselspannung. Infolgedessen ist die Dauer der HalbSchwingung des Kondensatorstromes i~ kürzer als die Dauer der positiven Halbwelle der rechteckförmigen Wechselspannung. Die Amplitude'Ί^ des Kondensatorstromes I_n beträgt

T TT

¹C ^{β ü}g

(i

sie steht, wie sich noch herausstellt, mit der höchstzulässigen Belastung des Wechselrichters im Zusammenhang, woraus sich eine zweite Bemessungsangabe für die Wertevon L und C ergibt.

Mit dem Stromnulldurchgang des Kondensatorstromes ig ist die Vorbereitung des Schwingkreises für den Kommutierungsvorgang beendet. Nunmehr erfolgt erfindungsgemäss in einem Zeitaugenblick t,, welcher um eine Zeitspanne vor dem Ende der positiven Halbwelle der Wechselspannung liegt, die gleich oder grosser als ein Viertel "der Schwingungsdauer T = l/f_Q gewählt sein soll, die Zündung des Kommutierungsventils 7. Durch die hierdurch erfolgte Stromdurchlässigkeit des Ventils 7 für die umgekehrte Stromrichtung gegenüber der des Ventils 11 ist dem Schwingkreis die Möglichkeit gegeben, die unterbrochene Schwingung fortzusetzen, wie an dem negativen Kurvenstück von i_Q in Fig. 4c zu erkennen ist. Durch diesen negativ fliessenden Kondensatorstrom wird die Kommutierung, im vorliegenden Falle die Stromablösung des Hauptventils 1, herbeigeführt. '

In dem betrachteten Beispiel sei der Einfachheit wegen angenommen, dass der Wechselrichter durch einen an die Sekundärwicklung 5

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angeschlossenen Ohmsehen Widerstand belastet ist. Dann verläuft der Wechselstrom in diesem Widerstand, der mit i bezeichnet sein soll, mit derselben Kurvenform, wie die Wechselspannung u^. Der dementsprechende Transformatorstrom in den Primärwicklungen 3 bzw. 4, der mit i_m bezeichnet ist, stimmt wegen des angenommenen Übersetzungsverhältnisses 1 : 1 mit i überein. Sein Verlauf ist in Fig. 4b dargestellt.

Die der Reihe nach eintretenden Stromläufe in dem betrachteten Ventilzweig sind in Fig. 5 bis 10 veranschaulicht.

Während der Stromflußdauer des ungesteuerten Ventils 11 in der Zeitspanne von t, bis tp verlaufen die Ströme i_c und i™ wie in Fig. 5 angegeben. Fach Zündung des Kommutierungsventils 7 treten die in Fig. 6 dargestellten Stromläufe ein. Wie man dort erkennen kann, fliesst nach Zündung des Kommutierungsventils 7 im Hauptventil 1 die Differenz des Transformatorstromes i™ und des Kondensatorstromes I_n, Durch die angegebene Bemessungsvorschrift ist sichergestellt, dass der Transformatorstrom kleiner ist als der Höchstwert Iq des Kondensatorstromes I_n, Infolgedessen tritt innerhalb einer Zeitdauer, die kleiner ist als ein Viertel der Sohwingungsdauer T = l/f-,ι die Gleichheit von I_n und i™ ein, was einen Stromnulldurohgang im Hauptventil 1 bedeutet. Dieser Stromnulldurohgang findet im Zeitaugenblick t. statt. Danach verlischt der Strom des Hauptventils 1.

Mit dem weiteren Anwachsen des Kondensatorstromes i_ß über den Wert des Tyansformatorstromes i„, hinaus kehrt sich die Differenz der Ströme in ihrer Richtung um und es wird das ungesteuerte Ventil 4 «tromführend. Dieser Stromverlauf ist in Fig. 7 dargestellt. Er besteht solange, bis in einem Zeitaugenblick te die Zündung des Hauptventils 2 des zweiten Ventilzweiges des Wechselrichters erfolgt.

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D_er bis dahin stattfindende Verlauf der Kondensatorspannung U₀ ist in Fig. 4a eingetragen. Injdieser Kurvendarstellung findet man auch gestrichelt gezeichnet den Verlauf der Spannung an der Induktivität 16 eingetragen, sie hl· t*if f

Wie bereits gesagt, erfolgt die Zündung des Kommutierungsventils 7 in einem Zeitaugenblick t,, der so gewählt sein soll, dass die Zeitspanne tj- - t, gleich oder grosser als ein Viertel der Schwingungsdauer ¹H_n = l/f_rt des Komm^utierungsschwingkreises ■

uo Β^*ζ

ist. Die vom Löschaugenblick t. des Hauptventils 1 bis zum Augenblick t,- des folgenden Hauptventils 2 verstrichene Zeit steht dem Hauptventil 1 zur Verfügung, um seine volle Sperrfähigkeit für die einsetzende positive Ventilspannung zu erlangen. .

Durch die auf den Löschaugenblick t. unmittelbar folgende Zündung des antiparallel geschalteten ungesteuerten Ventils 9 ist · erreicht, dass das Hauptventil 1 nach dem Stromnulldurchgang keiner negativen Sperrspannung, insbesondere auch keinem Sperrspannungssprung ausgesetzt ist. Dies ist der besondere Vorteil des Wechselrichters nach der Erfindung.

Im Anschluss an die positive Halbwelle der Wechselspannung finden im ersten Ventil'zweig noch einige Ausgleichsvorgänge statt, durch welche der Kondensator 15 wieder in seinen ursprünglichen Ladezustand zu Beginn der positiven Halbwelle überführt wird. Diese Vorgänge spielen sich innerhalb der Zeitdauer.der negativen Halbwelle der Wechselspannung ab.

Zur Schilderung dieser Vorgänge sei zuerst darauf hingewiesen, dass in dem betrachteten Beispiel die Zeitdauer t,- - t, genau gleich der ViertelSchwingungsdauer T_o/4 = l/4 ^₀ angenommen ist. I_nfolgedessen ist die Kondensatorapannung im Zeitaugenblick t,-der Zündung des Hauptventils 2 genau auf die Gleichspannung U abgesunken, wie aus Fig. 4a zu ersehen ist.

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Mit der Zündung des Hauptventils 2 des zweiten Ventilzweiges des Wechselrichters wird durch die Transformierung der an der Teilwicklung 4 liegenden Gleichspannung auf die Teilwicklung 3 die Gleichspannung TJ in umgekehrter Polarität wie vorher auf den Schwingkreis des ersten Ventilzweiges aufgeschaltet, Dies hat den in Pig. B gezeigten, zwischen der Wicklung 3 und dem genannten Schwingkreis intern umlaufenden Kondensatorstrom i~ zur Folge, dessen zeitlicher Verlauf in Fig. 4c zu erkennen ist. Wie Fig. 4a zeigt, fällt die Kondensatorspannung u^ rasch auf den Wert Null ab und erlangt dann negative., Werts, Gleichzeitig sinkt die Spannung an der Induktivität auf Null ab und wird positiv.

Sobald die Kond ensat or spannung auf den negativen Wert - 2 TJ_n.

g angestiegen ist, zündet das ungesteuerte Ventil 13.. Hiernach entsteht unter der Wirkung der Induktivität vermöge ihrer magnetischen Energie ein Stromfluss über dieses ungesteuerte Ventil 13, der in Fig. 4d mit der Bezeichnung ±~ eingezeichnet ist. Der exponentiell abfallende Strom geht im Zeitaugenblick durch Null, womit das Ventil 13 wieder stromlos wird.

Jetzt hat der Kondensator 15 die Möglichkeit, sich wieder zu entladen, welcher Vorgang wiederum als Schwingung vor sich geht und entsprechend der jetzt umgekehrten Stromriohtung durch die Zündung des ungesteuerten Ventils 11 ermöglicht wird. Den dabei stattfindenden Stromlauf zeigt Fig. 10. Diese Entladung ist im Zeitaugenblick t_Q mit Erreichen der Kondensatorspannung Null bei Stromnulldurchgang des Kondensatorstromes i~ beendet. Nunmehr sind die Strom-Spannungsbedingungen erreicht, welche zu Beginn der positiven Halbwelle der Wechselspannung bestanden haben.

Das gleiche gilt für den zweiten Ventilzweig des Wechselrichters. In diesem spielen sich dieselben Vorgänge ab wie sie für den ersten Ventilzweig beschrieben worden sind.

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Da diese geschilderten "Vorgänge in den "beiden Ventilzweigen und den zugehörigen Kommutierungsschwingkreisen sich innerhalb einer ganzen Periode der Wechselspannung des Wechselrichters in stets gleicher Weise wiederholen, benötigt der Wechselrichter zum Starten keine besonderen Anfangsbedingungen. ■*% beginnt also nach seiner Ersteinschaltung sofort der stationäre Betrieb,

Die Ausbildung eines Wechselrichters nach dar E_rfindung ist nicht auf die beschriebene Schaltung beschränkt. Ein weiteres Schaltungsbeispiel eines derartigen Zweipuls-Wechselrichters zeigt Jig. 3. Bei dieser Anordnung sind, wie in der Einleitung bereits gesagt, die zwei Ventilzweige durch die Reihenschaltung der zwei Grleichspannungsquellen, welche eine kombinierte Gleichspannungsquelle des Wechselrichters bilden, und die Anwendung einer ein-' zigen primären Transformatorwicklung zusammengefasst. Die Kommutierungsschwingkreise sinö wie in Mg, 3 geschaltet.

Die Wechselrichterschaltung nach der Erfindung ermöglicht noch einige die Arbeitsweise verbessernde Veränderungen des Verlaufes der Ströme und Spannungen der KommutierungsSchwingkreise durch zweckdienliche Ausführung ihrer Schaltungselemente. Eine Maßnahme, welche eine beeinflussung der Kommutierungszeit gestattet, besteht in der Ausführung der Induktivitäten 16 bzw. 1:8 als vormagnetisierte Drosseln nach der Art von Transduktoren, Hierbei ist es zwecktnässig, die Drosseln mit einem Kern mit re^hteckförmiger Magnetisierungsschleife auszuführen und die Vormagnetisierung mit einem beispielsweise lastabhängigen veränderbaren Gleichstrom vorzunehmen. Die bei einem mit derartigen Induktivitäten ausgestatteten Wechselrichter entstehenden Strom-,und Spannungsverläufe sind in Fig. 11 dargestellt. Sie sind im · Vergleich mit Mg. 4 ohne weiteres verständlich, wenn man beachtet, dass der Magnetisierungszustand der Kerne der Drosseln' mit der Spannungszeitfläche ihrer Spannungen u^ in einem unmittelbaren Zusammenhang steht.

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mit Die in Fig. 3 wiedergegebene Wechselrichterschaltung einer aus zwei in Reihe geschalteten Teilgleichspannungen zusammengesetzten Grleiohspannungsquelle lässt noch einige Vereinfachungen in der Anordnung der Kommutierungsschwingkreise zu. Als Beispiel hierfür zeigt Fig. 12 eine Schaltung, "bei welcher die bisher vorgesehenen zwei Kommutierungsschwingkreise zu einem einzigen Schwingkreis zusammengezogen sind.

Die Weohselriohterschaltung enthält neben der G-leichspannungsquelle mit den beiden Teilspannungen U /2 zwei steuerbare Hauptventile 1 und 2 mit dazu antiparallel geschalteten ungesteuerten Ventilen 9 und 10 und einen Transformator mit einer für beide Yentilzweige gemeinsamen Primärwicklung und der Sekundärwiaklung 5, an welche die Wechselstromlast angeschlossen werden kann. Ebenfalls für beide Ventilzweige gemeinsam ist der Kommutierungaschwingkreis, bestehend aus dem Kondensator 15, der Induktivität 16 und der Anordnung von zwei antiparallel geschalteten gesteuerten Ventilen 7 und 8. Von den bisher vorhandenen zwei Kommutierungsschwingkreisen sind also nur noch ein Schwingkreis mit einem Kondensator und einer Induktivität und die steuerbaren Kommutierungsventile der Anordnung nach Fig. 3 beibehalten, während die ungesteuerten Ventile, die den Kommutierungsventilen antiparallel geschaltet waren, fortgefallen sind. Dem gemeinsamen Kommuiierungsschwingkreis sind noch die auch bisher vorhandenen ungesteuerten Ventile 13 und 14 zugeordnet.

Die Arbeitsweise dieses Wechselrichters wird durch die Kurvendarstellung in Fig. 13 erläutert.

Wie dieses Kurvenbild erkennen lässt, kommen die Ausgleichsvorgänge, die eich in den Schaltungen Fig. 2 und 3 im Anschluss an jeden Kommutierungsvorgang abgespielt haben, nunmehr in Fortfall, BtI jeder mit der Kommutierung zusammenhängenden Umladung des Sondensators erlangt dieser einen Ladezustand, welcher die

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nächstfolgende Kommutierung ermöglicht. Die Zündung der Kommutierungsventile erfolgt nach wie vor um eine Zeitspanne tr - t, vor dem Ende der jeweiligen Halbwelle der Wechselspannung, diese "\ Zeitspanne ist gleich oder grosser als ein Viertel der Schwingungsdauer T = l/f_Q des Schwingungskreises gewählt.

Durch eine Kombination von zwei Anordnungen der Art nach Pig, .3 oder Fig. 12 mit gemeinsamer G-leichspannungsquelle und gemeinsamen Transformator entsteht eine Brückenschaltung, "bei welcher die Aufteilung in zwei Teilgleichspannungen entbehrlich ist. Ein Schaltungsbeispiel einer solchen Brückenschaltung zeigt Pig» 14. Sie besitzt vier Ventilzweige mit Hauptventilen und antiparallel geschalteten ungesteuerten Ventilen. Die zugehörigen Kommutierungsschwingkreise sin<J paarweise zusammengefasst, so daß die Anordnung nur zwei Schwingkreise mit den zugehörigen Ventilen aufweist.

Wenn man zwei beliebige W_echselrichter der beschriebenen Art zu einer Brückensohaltung zusammenfügt, besteht auch noch die Möglichkeit, die beiden Brückenhälften phasenverschoben zu steuern. Damit ist man in der Lage, die Ausgangs-Wechselspannung in ihrer Phasenlage zu vers*ellen oder gegebenenfalls bestimmte harmonische der resultierenden Ausgangsspannung zu unterdrücken.

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Claims

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Mannheim, den 3 ο. Nov. 1962 Pat. ML/Ro

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Patentansprüche

Selbstgeführter Wechselrichter mit Kommutierungs-Schwingkreis und mit als Hauptventile bezeichneten gesteuerten ^asentladungs- oder Halbleiterventilen zur -Erzeugung einer Wechselspannung mit lastunabhängiger rechteckiger Kurvenform, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Ventilzweig mit einer Anordnung eines als Hauptventil wirksamen gesteuerten "Ventils (1,2) und eines dazu antiparallel geschalteten ungesteuerten "Ventils (9,lo) ein aus einem Kondensator (15,17) und einer Induktivität (16,18) bestehender Schwingkreis mit einer in Reihe geschalteten Anordnung eines als Kommutierungsventil bezeichneten gesteuerten Ventils (,Iß) und eines dazu antiparallel geschalteten ungesteuerten Ventils (11,12) zugeordnet ist, wobei jedes Hauptventil und das diesem zugeordnete Kommutierungsventil mit dem Schwingkreis in einem von dem einen Pol der Gleichspannungsquelle des Wechselrichters'zu dem anderen Pol dieser G-leichspannungsquelle führenden Leitungszug liegt und so gesteuert wird _f dass 'die Zündung des Hauptventils jedes Ventilzweiges zu Beginn der zugehörigen Halbwelle (t-,, tj-) der Wechselspannung, und die Zündung des diesem zugeordneten Kommutierungsventils um eine Zeitspanne (t^ - t,) vor dem Ende (tp-) derselben Halbwelle der Wechselspannung erfolgt, welche gleich oder grosser als ein Viertel der Schwingungsdauer (T = l/f_Q) des Schwingkreises gewählt ist, und wobei neben den genannten Ventilen noch ein weiteres ungesteuertes Ventil (13,14) mit dem Schwingkreis verbunden ist, welches während der stromlosen Pause der vorgenannten Ventile durch Stromübernahme in den Umladevorgang des Kondensators (15, 17) zur Vorbereitung der nächstfolgenden Halbwelle der Wechselspannung eingreift.

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2, Selbstgeführter Wechselrichter nach Anspruch 1, für zweipulsigen Betrieb mit zwei mit Hauptventilen versehenen Ventilzweigen mit in Reihe geschalteten primären Teilwicklungen des Transformators entsprechend einer Mittelpunktschaltung und mit gemeinsamer Gleichspannungsquelle, dadurch gekennzeichnet, dass die den "Ventilzweigen des Wechselrichters zugeordneten KommutierungsSchwingkreise mit der jeweils zugehörigen in Reihe geschalteten Anordnung des Kommutierungsventils und des dazu antiparallel geschalteten ungesteuerten Ventils der jeweiligen primären Teilwicklung des Transformators parallel geschaltet und das weitere ungesteuerte Ventil (13,14) mit dem an die Teilwicklungen nicht angeschlossenen Pol der Gleichstromquelle verbunden ist.

3* Selbstgeführter Wechselrichter nach Anspruch 1, für zweipulsigen. Betrieb mit zwei mit Hauptventilen versehenen Ventilzweigen mit in Reihe geschalteten Gleichstromquellen ähnlich einer Yeröopplersehaltung und gemeinsamer primärer Transformatorwieklung, dadurch gekennzeichnet, daß die den Ventilzweigen zugeordneten Kommutierungssehwing—■-,-·■ kreise mit der zugehörigen in Reihe geschalteten Anordnung; des Kommutierungsventils und des dazu antigarallel geschatteten ungesteuerten Ventils der gerneinsamej}_; PrimäiKLcklung. des Transformator parallel geschaltet und das weitere ungesteuerte Ventil mit je einem äusseren PqI. der unterteilten Gleichspannungsquelle verbunden ist,ι,_1:: .-. . ,

4, Selbstgeführter Wechselrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die den Ventilzweigen zugeordneten Kommutierungsschwingkreise mit der zugehörigen in Reihe geschalteten Anordnung des Kommutierungsventils und des dazu antiparallel geschalteten ungesteuerten Ventils zu einem gemeinsamen Kommutierungsschwingkreis, bestehend aus einem Kondensator (15) undeiner Induktivität (16) und einer dazu "

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in Reihe geschalteten Anordnung von zwei .antiparallel geschalteten steuerbaren Kommutierungaventilen (7,8) zusammengezogen sind, wobei die Mäher vorgesehenen, zu den Kommutierungsventilen antiparallel geschalteten ungesteuerten Ventile in Fortfall kommen, während die weiteren ungesteuerten Ventile (13,14) einerseits mit dem gemeinsamen Kommutierungsachwingkreis und andererseits mit je einem äusseren Pol der unterteilten G-leichspannungsquelle verbunden sind«

5. Selbstgeführter Wechselrichter nach Anspruch 1, für zweipulsigen Betrieb mit vier mit Hauptventilen versehenen Ventilzweigen in Einphasen-Brückenschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass die den vier Ventilzweigen zugeordneten Kommutierungs-Schwingkreise mit der zugehörigen in Reihe geschalteten Anordnung des Kommutierungsventils und des dazu antiparallel geschalteten ungesteuerten Ventils zu zwei Kommutierungsschwingkreisen zusammengezogen sind.

6. Selbstgeführter Wechselrichter nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivitäten (16,18) der Kommutierungsschwingkreise als gleichstromvormagnetisierte Drosseln mit einem Kern mit rechteckförmiger Magnetisierungsschleife bei lastabhängig veränderbarem Vormagnetisierungsgleichstrom ausgebildet sind,

7. Selbstgeführter Wechselrichter nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptventile der beiden Brüokenhälften phasenverschoben gesteuert sind.

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