DE1438635A1

DE1438635A1 - Statischer Frequenzumformer

Info

Publication number: DE1438635A1
Application number: DE19621438635
Authority: DE
Inventors: Julio Gonzales; Walter Strohmeier; Werner Ullmann
Original assignee: SAUTER AG
Current assignee: SAUTER AG
Priority date: 1961-12-13
Filing date: 1962-12-10
Publication date: 1969-06-04
Also published as: DE1190095C2; GB1006268A; GB1006269A; SE317740B; FR1345287A; DE1438633A1; CH397851A; US3273041A; DE1190095B; FR1345286A; CH402159A; GB1006267A; DE1289575B; US3246227A; FR1345285A; US3259827A; CH395303A

Description

Pr. Sauter A. G., Basel

(Schweiz)

Statischer Frequenzumformer

Die vorliegende Erfindung betrifft einen statischen Frequenzumformer mit einer Leistungsgleichrichterstufe, einer Leistungsausgangsstufe zum umformen der von ersterer erzeugten Gleichspannung in eine Wechselspannung vorgegebener Frequenz, mit in beiden Stufen vorgesehenen steuerbaren Halbleitergleichrichterstufen, mit zwei Zündstromkreisen, von denen der erste Zündimpulse für die gesteuerten Gleichrichter in der Leistungsgleichrichterstufe abgibt und der zweite Zündstromkreis Zündimpulse für die gesteuerten Gleichrichter in der Leistungsausgangsstufe, wobei in letzterer ein !Transformator angeordnet ist, dessen Primärwicklung über je einen der gesteuerten Gleichrichter mit dem einen Pol der Leistungsgleichrichterstufe verbunden ist, während der andere Pol der Leistungsgleichrichterstufe mit der Mittelanzapfung der Primärwicklung des Transformators verbunden ist, wobei zur Kommutierung ein Kondensator mit den Endpunkten dieser Primärwicklung verbunden ist, so dass durch Zündfen eines gesteuerten Gleichrichters der andere gesteuerte Gleichrichter durch die Kondensatorladung gelöscht wird.

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Bei Frequenzumformern dieser Art enthält die Leistungsausgangsstufe einen Ausgangstransformator, dessen Primärwicklung eine Mittelanzapfung enthält. Diese Mittelanzapfung ist mit dem einen Pol der Gleichspannungsquelle verbunden. Die beiden Endpunkte der Primärwicklung sind über je einen gesteuerten Gleichrichter mit dem zweiten Pol der Gleichspannungsquelle bzw. dem Ausgang der Leistungsgleichrichterstufe verbunden. Zur Kommutierung sind die beiden Endpunkte der Primärwicklung weiterhin durch einen Kommutierungskondensator miteinander verbunden. Die Wechselstrom-Ausgangsleistung vorgegebener Frequenz wird dabei von der Sekundärseite des Ausgangstransformators entnommen. Die beiden gesteuerten Halbleitergleichrichter, doh» Gleichrichter mit einer pnpn-Halbleiterschicht, die eine Thyratron-Charakteristik aufweisen, werden nun wechselweise gezündet. Jeweils nach der Zündung eines der beiden gesteuerten Gleichrichter wird der andere gesteuerte Gleichrichter durch die Kommutierungsspannung, die an dem Kommutierungskondensator liegt, zum Erlöschen gebracht. Der gesteuerte Wechsel der Leitfähigkeit der beiden gesteuerten Gleichrichter entspricht dabei der Frequenz der abgegebenen Wechselspannung.

Bei statischen Frequenzumformern der beschriebenen Art besteht jedoch die Möglichkeit, dass einer der beiden gesteuerten Gleichrichter im Falle einer stark kapazitiv.en Belastung an der Sekundärseite des Ausgangstransformators nicht zum Erlöschen gebracht wird. Wenn dieser Fall eintritt, sind somit beide gesteuerten Halbleitergleichrichter leitend, was innerhalb kürzester Frist zu deren Zerstörung führt. Ein ordnungsgemässes Arbeiten des Frequenz«· Umformers ist von der Kommutierung bzw. von der Ladung des Kommutierungskondensators abhängig. Bei den bisher gebräuchlichen Schaltungen ist jedoch die Ladung des Kommutierungskondensators eine Funktion der Belastung im Ausgang des Frequenzumformers. Bei einer starken Belastung sinkt die

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Spannung an den Endpunkten der Primärwicklung nach einem ersten Anstieg wieder ab, was auch die Ladung dee Kommutierungekondeneators wiederum herabsetzt. Desgleichen kann auch eine sehr starke Blindbelastung an der Sekun» därseite eine Verminderung der Ladung des Kommutierungskondensators ssur Folge haben. Aueserdem besteht bei den bekannten Frequenzumformern die Gefahr, dass die gesteuerten Gleichrichter in der Ausgangsstufe unter Umständen durch einen Blindleistungsverbraucher während der Uebertragung der zugeordneten Halbwelle zum Löschen gebraoht werden. Sine Zündung erfolgt bei den bisher üb-Hohen Schaltungen dieser Art jedoch erst wieder, wenn bei Beginn der nächstfolgenden Halbwelle der vorgesehenen Ausgangewechselspannung ein Zündsignal an einem der beiden gesteuerten Gleichrichter der Ausgangsstufe erscheint.

Um diese Nachteile zu vermeiden, ist bereits versucht worden, die gesteuerten Gleichrichter nicht durch einen einzelnen Impuls zu Beginn jeder Halbwelle zu zünden, sondern duroh einen Dauerimpuls, der während der gesamten Halbwelle aufrechterhalten wird und die Gleichrichter neu zündet, wenn sie durch Irgend welche Umstände während der Halbwelle gesperrt werden, oder wenn der Gleichrichter bzw. der Frequenzumformer während einer Halbwelle in Betrieb gesetzt wird. In letzterem Fall muss der Zündimpuls im Augenbliok des Einechaltens erscheinen und ebenfalls bis zum Ende der Halbwelle aufrecht erhalten werden.

Schaltungen der genannten Art sind jedoch mit anderen Nachteilen behaftet. Da die Zündspannung nach dem Auslösen bzw» Einschalten der Schaltung sofort vorhanden sein soll, und der die Zündung hervorrufende, eine Halbwelle andauernde Steuerimpuls praktisch zu jedem Zeitpunkt dieser Halbwelle in der Lage sein muss, die zum Zünden eines gesteuerten Gleichrichters erforderliche Leistung abzugeben, muss der Zündströmkreis eine vergleichsweise grosse Arbeit leisten können, damit die Zündung auch in ungünstigen Fällen mit

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Sicherheit gewährleistet ist. Ein Zündstromkreis, der diese Anforderungen erfüllt, ist vergleichsweise kompliziert und benötigt darüber hinaus eine gross« Eingangsleistung·

Es ist nun das Ziel der vorliegenden Erfindung, einen statischen Frequenzumformer der beschriebenen Art zu schaffen, bei welchem alle diese Nachteile nicht auftreten. Es soll also eine Zerstörung der Halbleitergleichrichterelemente in der Ausgangsstufe vermieden werden«

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen statischen Frequenzumformer der genannten Art zu schaffen, bei welchem eine Zerstörung der Halbleitergleichrichter auch bei zu starker Belastung der Sekundärseite nicht auftreten kann.

Es ist nun ein weiterer Zweck der Erfindung, eine Schaltung mit gesteuerten Halbleitergleichrichtern zu schaffen, bei welcher eine Zündung der Gleichrichter praktisch zu jedem Zeitpunkt der Halbwelle möglich ist und- bei welcher der Zündstromkreis nur eine geringe Leistung aufnimmt.

Weiterhin ist der Zweck der Erfindung, bei einer Schaltung der genannten Art Zündstromkreise vorzusehen, die einfach aufgebaut sind und nur eine geringe Leistung abgeben müssen.

Der statische Frequenzumformer ist gekennzeichnet durch die Kombination

a) mit einem Sicherheitsstromkreis, der als logisches Element ausgebildet ist und dessen Eingänge mit dem Eingang und mit dem Ausgang der Leistungsausgangsstufe und dessen Ausgang mit dem ersten Zündstromkreis verbunden sind,=wo-

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bei das logische Element die Uebermittlung von Zündsignalen zu den gesteuerten Gleichrichtern der Lei-Btungsgleiohriohterstufe dann und nur dann unterbindet, wenn die Spannung im Eingang der Leistungsausgangsstufe die Spannung an dem Ausgang um einen vorgegebenen Wert übertrifft,

b) mit ^e einem unmittelbar an den Endpunkten der Primärwicklung in Serie geschalteten Gleichrichter zurbelastungsunabhängigen Aufladung des Kommutierungskondensators,

o) mit mindestens während der Torgesehenen Zündperioden Impulsfolgen abgebenden Zündkreisen.

Im Nachfolgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Die Zeichnungen stellen im einzelnen dar:

Pig. 1 das Blockschaltbild eines Frequenzumformers,

Pig. 2 die zur Zündung der gesteuerten Gleichrichter erforderlichen ZündImpulsfolgen, bezogen auf die eingegebene Steuerspannung, und

Pig. 3 das Linienschaltbild des Frequenzumformers der Fig. 1.

In dem in Fig. 1 als Blockschaltbild gezeigten Frequenzumformer wird die Eingangsleistung durch einen Transformator 10 mit der Primärwicklung 11 eingegeben. Die Primärwicklung 11 kann dabei direkt an das Netz von 220 V 50 Hz angeschlossen sein. Der Transformator besitzt drei Sekundärwicklungen 12, 13 und 14. Dxe Sekundärwicklung 12 ist an den Netzgleichrlohter A für die Leistungsstufe angeschlossen, die die eingegebene Wechselspannung gleiohrichtet. Der Gleichrichter A enthält vier Trockengleichrichter in einer Allwegbrüokengleichrichterschaltung,

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wobei zwei dieser Gleiohriohter als gesteuerte Halbleitergleichrichter ausgebildet sind. Die an den Leitungen 15 und 16 erscheinende Gleichspannung gelangt zu der Leistungsausgangsstufe 1, wo die Gleichspannung in eine Wechselspannung vorgegebener Frequenz umgewandelt wird· Die Wechselspannung erscheint an den Ausgangeklemmen 17·

Die Sekundärwicklung 13 des Transformators 10 speist den Zündstromkreis 0. Dieser Zündstromkreis richtet die Eingangswechselspannung zunächst gleich und erzeugt eine Impulsfolge zur Zündung der beiden gesteuerten Gleichrichter in der Leistungsgleichrichterstufe A. Zur Zündung der gesteuerten Gleichrichter in der Leistungsgleioh richterstufe A gibt der Zündstromkreis 0 über die leitungen 19 und 20 eine ununterbrochene Impulsfolge aus· Die Leitung 19 ist über die Widerstände 21 und 22 mit den Zündelektiroden der beiden Gleichrichter verbunden.

Die gewünschte Frequenz der an den Klemmen 17 erscheinenden Spannung wird durch eine steuernde Wechselspannung gegeben, die über die Klemmen 23 einem Transformator 24 zugeführt wird. Dieser Transformator 24 besitzt zwei Sekundärwicklungen 26 und 27, wobei die Sekundärwicklung 26 mit dem Zündstromkreis C verbunden ist· Der Zündstromkreis C ist dabei so ausgebildet, dass er nur dann Ausgangsimpulse über die Leitungen 19 und 20 abgibt, wenn an den Klemmen 23 ein Eingangssignal erscheint. Fehlt an den Klemmen 23 und somit an der Sekundärwicklung 26 das Signal, gibt der Zündstromkreis 0 keine Impulse ab, so dass auch an den Leitungen 15 und 16 keine Gleiohspannung erscheint. Eine Folge hiervon ist, dass auch dem Netz, an welches die Primärwicklung 11 des Transformators 10 angeschlossen ist, praktisch keine Leistung entnommen wird, wenn an den Klemmen 23 keine steuernde Wechselspannung erscheint.

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Die Sekundärwicklung 27 des Transformators 24 ist mit einem Zündstromkreis D verbunden, der die Zündimpulse für die beiden gesteuerten Gleichrichter in der Leistungsauegangsstufe B erzeugt. Die Zündimpulse für einen der beiden gesteuerten Gleichrichter in der Leistungsausgangestufe B ersoheinen zwischen den 7erbindungsleitungen und 29t ^die Zündimpulse für den zweiten gesteuerten Gleichrichter swisohen den Leitungen 31 und 29·

Der Frequenzumformer der Fig. 1 enthält weiterhin eine Sicherheitssohaltung E. Biese Sicherheiteschaltung ist einerseits mit den beiden Gleichstrom führenden Leitungen 15 und 16 und andererseits mit den Ausgangsklemmen 17 verbunden. Die Sioherheitsschaltung E bildet ein logisches Element, welches die Erzeugung von Zündimpulsen in dem Zündstromkreis immer dann für eine vorgegebene Zeit unterbindet, wenn an den Leitungen 15 und 16 eine Spannung steht, hingegen keine Spannung am Ausgang 17* Hingegen lässt das logische Element die Erzeugung von Zündimpulsen au, wenn am Ausgang 17 eine Spannung eraoheint, «owie dann, wenn sowohl an den Leitungen 16 und 17, als auch am Ausgang 17 keine Spannung auftritt. Durch die Sicherheitsschaltung E wird daher bewirkt, dass die versohiedenen gesteuerten Gleichrichter nicht durch beispielsweise einen Kurzschluss an den Ausgangsklemmen 17 zerstört werden können.

Wenn während des Betriebes an den Eingangsklemmen 23 eine steuernde Wechselspannung mit in einem grossen Bereich beliebiger Frequenz erscheint, wird somit zunächst eine Gleichrichtung in der Netzgleichrichterstufe A und weiterhin eine Wechselspannung mit der eingegebenen Frequenz hervorgerufen, die dann an den Klemmen 17 erscheint, erzeugt.

Zur Erläuterung der Aufgabe, welche die Steuerstromkreise

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O und D erfüllen, sei anschliessend auf Fig. 2 Bezug ge«* nommen. In Fig. 2a sei die den Klemmen 23 übermittelte, steuernde Wechselspannung in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen. Wenn die Spannung 23 zu dem Zündstromkreis G gelangt, wird eine Schwingung freigegeben, so dass eine regelmässige, d.h. ununterbrochene Impulsfolge an den Leitungen 19 und 20 erscheint, wie dies etwa in Fig. 2b gezeigt ist. Die Impulsfolgefrequenz ist durch das Schwingsystem selbst gegeben und weitgehend unkritisch.

Die in Fig. 2b gezeigte Impulsfolge gelangt nun über die Widerstände 21 und 22 zu den beiden gesteuerten Gleichrichtern der Leistungsgleichrichterstufe A, wobei es bedeutungslos ist, dass diese Zündimpulse während beider Halbwellen aufrecht erhalten werden und zwar deswegen, weil Zündimpulse die gesteuerten Gleichrichter dann nicht beeinflussen können, wenn die Polarität der an der Hauptstrecke anliegenden Spannung der Sperrichtung der Gleichrichter entspricht.

In der Zündschaltung D werden zwei Impulsfolgen erzeugt, wobei die erste Impulsfolge der Fig. 2c beispielsweise nur in den positiven Halbwellen der steuernden Wechselspannung (Fig. 2a) und die zweite Impulsfolge der Fig.2d nur während der negativen Halbwellen der steuernden Wechselspannung (Fig. 2a) erscheinen* Die Spannung der Fig.2c erscheint beispielsweise zwischen den Leitungen 29 und 30 und die steuernde Wechselspannung der Fig. 2d zwischen den Leitungen 29 und 31. Die Impulsfolgefrequenzen der Impulsfolgen der Fig. 2c und 2d ist wiederum unabhängig von der Frequenz der Steuerspannung, muss jedoch über dieser liegen. Vorzugsweise ist diese Impulsfolgefrequenz einstellbar.

Die Wirkungsweise und der Aufbau der einzelnen Leistungs-

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und Steuerkreise soll anschliessend anhand von Pig. 3 mehr im einzelnen erläutert werden, welche ein Linienschaltbild des Frequenzumformers zeigt. In der Zeichnung sind die Leitungen, die die Leistung übertragen, stark ausgezogen.

Wie bereits anhand von Fig. 1 ausgeführt, ist der gezeigte Frequenzumformer so beschaffen, dass er an ein kommerzielles Wetz von beispielsweise 220 V und 50 Hz angeschlossen werden kann. Zum Anschluss an das Netz ist der Transformator 10 vorgesehen, der neben der Primärwicklung 11 drei Sekundärwicklungen 12, 13 und 14 aufweist. Die Sekundärwicklung 12 ist an die Leistungsgleichrichterstufe A angeschlossen, die die Halbleitergleichrichterelemente 35» 36, 37 und 38 in Allwegbrüokenschaltung enthält. Die Gleichrichterelemente 35 und 36 können normale Sperrschichtgleichrichter sein, während es sich bei den Grleichrichterelementen 37 und 38 um die erwähnten gesteuerten Gleichrichterelemente mit pnpn-Halbleitersohichten handelt.

Die beiden gesteuerten Gleichrichter 37 und 38, die mit der Leitung 16 verbunden sind, die als der positive Pol der Gleichspannungsquelle aufgefasst werden kann, werden durch den Zündstromkreis C durch die erwähnte Impulsfolge derart gezündet, dass die Gleichrichterbrückenschaltung wie eine normale Brüokensehaltung arbeitet. Bleiben die Zündimpulse von dem Steuerkreis C aus, kann keine Gleich« spannung mehr erzeugt werden, so dass auch das an die Primärwicklung 11 angeschlossene Netz durch den Umformer nicht mehr belastet wird«

Die beiden nicht gesteuerten Gleichrichterelemente 35 und 36 sind an die Leitung 15 angeschlossen, die den negativen

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Pol des gleichstromseitigen Ausganges des Gleichrichters darstellt. Zwischen den beiden Polen Idzw. den Leitungen 15 und 16 ist in bekannter Weise ein Glättungskondensatar 31 vorgesehen.

Die leitungen 15 und 16 führen die in dem Leistungsgleichriohter A erzeugte Gleichspannung der Leistungsausgangsstufe B zu, in welcher diese Gleichspannung in eine Wechselspannung mit vorgegebener frequenz umgewandelt wird.

Die Leistungsausgangsstufe B enthält einen Ausgangstransformator 42, der eine Primärwicklung 43 und eine Sekundärbzw. Ausgangswicklung 44 aufweist. Die Primärwicklung 43 besitzt eine Mittelanzapfung 45, welche die Wicklung 43 in die Wicklungsteile 43a und 43b aufteilt. Die den Pluspol der Gleichspannungsquelle darstellende Leitung 16 ist mit der Mittelanzapfung 45 der Transformatorwioklung 43 verbunden, während die den Minuspol der Leistungsgleioh» richterstufe A darstellende Leitung 15 über eine Drossel-Spule 47 mit einer Leitung 48 verbunden ist, die an die Kathoden von zwei gesteuerten Gleichrichterelementen 50 und 51 angeschlossen ist. Die gesteuerten Gleichrichterelemente 50 und 51 sind im Prinzip gleich ausgebildet wie die gesteuerten Gleichrichterelemente 37 und 38 der. Leistungsgleichrichterstufe. Die Anoden der gesteuerten Gleichrichter 50 und 51 sind mit je einem Endpunkt der Primärwicklung 43 des Ausgangstransfürmators 42 über die Leitungen 52 bzw. 53 und Dioden 52a bzw. 53a verbunden. Schliesslich sind die gesteuerten Gleichrichter 50 und 51 durch je eine Seriensch'ältung aus einem Widerstand 50b bzw. 51b und einer Diode 50c bzw. 51c überbrückt. Die Anoden der Dioden sind dabei beispielsweise über eine Leitung 15a direkt mit der Leitung 15 verbunden. Zwischen den Leitungen 52 und 53 ist fernerhin ein Kon-

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densator 59 eingeschaltet, der die Kommutierung bewirkt, wie dies nachfolgend mehr im einzelnen erläutert werden •oll.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Endstufe sei angenommen, dass zu einem vorgegebenen Zeitpunkt der gesteuerte Gleichrichter 51 gezündet werde, so dass ein Strom in der Richtyng des Pfeiles 51' fliessen kann. Der Strom flieset dabei von dem positiven Pol des Gleichrichters, d.h. der Leitung 16, über den Transformatorwicklungsteil 43b, die Diode 53a, die Leitung 53, den gesteuerten Gleichrichter 51, die Leitung 48, die Drosselspule 47 und die Leitung 15 zu dem negativen Ausgangspol der Gleichrichterstufe. Der Strom flieset somit in den mit II bezeichneten Stromkreis, wobei zufolge der mit dem Stromanstieg verbundenen Plussänderung in der Sekundärseite des Transformators eine Spannung induziert wird. Gleichzeitig wird auch in dem anderen Wicklungsteil der Primärwicklung, d.h. in der Wicklung 43a, eine Spannung induziert, so dass sich an den Enden der Gesamtwicklung 43 eine Spannung mit der Polarität ausbildet, die durch in Klammer gesetzte Zeichen (+) und (-) angezeigt ist. Entsprechend lädt sich auch der Kondensator 59 auf. Es ist somit zu ersehen, dass an dem zu diesem Zeitpunkt gesperrten gesteuerten Gleichrichter 50 in der Sperrrichtung eine Spannung liegt, die der doppelten Ausgangsspannung der Netzgleichrichterschaltung entspricht. Die steuerbaren Gleichrichter 50 und 51 müssen somit derart dimensioniert sein, dass sie dieser doppelten Spannung standhalten können.

Es sei nun angenommen, dass der Gleichrichter 50 gezündet wird, so dass dessen Widerstand in der Durchlassrichtung vernachlässigbar klein wird. An dem gesteuerten Gleichrichter 51 liegt somit kurzzeitig die in dem Kondensator

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59 gespeicherte Ladung und zwar in der Sperrichtung, so dass dieses Gleichrichterelement gelöscht wird. Da das gesteuerte Gleichrichterelement 50 gezündet ist, fliesst ein Strom in den Stromkreis I, der die Leitung 16, die Primärwicklung 43a des Ausgangstransformators 42, die Diode 52a, die Leitung 52, den gesteuerten Gleichrichter 50, die Leitung 48, die Drosselspule 47 und die Leitung 15 umfasst. Es ist ohne weiteres zu ersehen, dass in dieser zweiten Phase der Wechselspannung der Ausgangsseite des Umformers die Polarität an der Wicklung 43 umgekehrt ist. Der Kondensator 59 lädt sich gegenüber der ersten Phase mit entgegengesetzter Polarität auf und speichert somit die Ladung, die erforderlich ist, um nach erneutem Zünden des gesteuerten Gleichrichters 51 den gesteuerten Gleichrichter 50 zum Löschen zu bringen. Der Kern des Transformators 42 wird in dieser Phase in der Gegenrichtung magnetisiert, so dass an der Sekundärseite 11 dieses Transformators eine Wechselspannung abgenommen werden kann.

Die Dioden 50c, 51c sind vorgesehen, um zu erreichen, dass sich der Kommutierungskondensator nach der Kommutierung schnell entladen.und somit auch schnell in der Gegenrichtung aufladen kann. Die Dioden 52a und 53a andererseits bewirken, dass der Kondensator 59 eine möglichst hohe Ladung erhält und nicht durch ein Absinken der Spannung an der Primärwicklung des Transformators 42 während einer Halbwelle der Ausgangsspannung, z.B. zufolge einer starken Belastung am Ausgang wieder teilweise entladen wird.

Insbesondere beim Leerlauf, d.h. ohne Belastung an der Sekundärseite des Transformators 42 besteht die Gefahr, dass sich die Spannung aufschaukelt. Der Kondensator 59 und die Primärwicklung 43 des Transformators 42 arbeiten dabei als Schwingkreis. Um derartige Spannungsüberhöhungen

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zu vermeiden, ist parallel zu den beiden Primärwicklungsteilen 43a und 43b je ein Widerstand 55 und 56 vorgesehen. Kurz nach der ersten Phase, d.h. wenn die Polarität der Spannung an dem Transformator 42 den in Klammer gesetzten Vorzeichen entspricht, kann sich der Kondensator 59 über die Widerstände 55 und 56 entladen. Die Widerstände 55 und 56 müssen dabei so bemessen werden, dass die Ladung noch so lange aufrecht erhalten bleibt, bis beispielsweise der gesteuerte Gleichrichter 50 gelöscht ist. Die Widerstände dämpfen den Schwingkreis somit, so dass die Spannung sich nicht aufschaukeln kann.

Es sei noch erwähnt, dass der Kondensator 59 selbstverständlich auch an der Sekundärseite 44 des Transformators 42 angeschlossen werden kann, wobei die gleichen Wirkungen erzielt werden.

Nachfolgend sollen nun die Zündstromkreise C und D für die gesteuerten Gleichrichterelemente beschrieben werden. Zur Erzeugung der Speisespannung für den Zünd- bzw. Steuerstromkreis C ist an die Sekundärwicklung 13 des Eingangstransformators 10 eine Doppelweg-Gleichrichterschaltung 60 angeschlossen, die vier einzelne Gleichrichter umfasst. Zur Glättung der auf diesem Wege gewonnenen Gleichspannung ist ein Kondensator 64 vorgesehen. Der negative Pol der auf diesem Wege gewonnenen Gleichspannung wird von der Leitung 65 gebildet und ist mit den beiden verbundenen Kathoden der Leistungsgleichrichter 37 und 38 über die Leitung 20 verbunden.

Der Steuer- bzw. Zündstromkreis 0 enthält einen sogenannten Doppelbasistransistor 80, von welchem die beiden Basen über Widerstände 81 und 82 mit dem negativen bzw. positiven Pol der Speisespannungsquelle, d.h. mit den Leitungen β und

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verbunden sind. Dieser Doppelbasistransistor bzw. unijunction transistor — Transistoren dieses Typs sind im Handel erhältlich — hat die Eigenschaft, den Widerstand zwischen einer Basiselektrode und dem Emitter in Abhängigkeit von der Spannung an diesem Emitter sprunghaft zu verändern. Wenn im vorliegenden Beispiel das Potential am Emitter unterhalb eines vorgegebenen kritischen Wertes liegt, ist der Widerstand zwischen Emitter und der einen Basiselektrode hoch. Steigt die Spannung am Emitter z.B. durch die Aufladung eines Kondensators auf diesen kritischen Wert, so wird der Punkt erreicht, bei welchem der Widerstand zwischen der Basiselektrode und dem Emitter sprunghaft kleiner wird. Der Emitter ist im vorliegenden Fall über einen Kondensator 83 mit der Leitung 65 und über einen Widerstand 84 mit der Leitung 72 verbunden. Der Kondensator 83 und der Widerstand 84 stellen somit ein RC-Glied dar. Der Kondensator 83 lädt sich mit der Zeitkonstante des RC-Gliedes bis zu der kritischen Spannung auf, worauf am Widerstand 81 infolge der Entladung des Kondensators 83 über den Transistor 80 ein positiver Impuls erscheint. Nachdem durch die Entladung des Kondensators 83 die Spannung unter einen vorgegebenen Wert abgesunken ist, wird der Transistor 80 wieder gesperrt, so dass die Aufladung des Kondensators von neuem beginnt. Das aus den Teilen 80 bis 84 bestehende System arbeitet somit als Oszillator bzw. Impulsgenerator, wobei die Impulsfolgefrequenz eine Funktion der Bemessung des RC-Gliedes ist.

Im vorliegenden Fall ist die Frequenz erheblich höher als diejenige des Netzes, so dass pro Halbwelle eine grössere Anzahl von Impulsen zu den gesteuerten Gleichrichtern und 38 gelangen. Die Gleichrichter werden somit auch während einer Halbwelle neu gezündet, wenn sie aus irgend einem Grund erloschen sein sollten.

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Die an dem Widerstand 81 erscheinenden Impulse werden über die Leitung 19 und über je einen Schutzwiderstand 21 und 22 den Zündelektroden der gesteuerten Gleichrichter 37 und 38 übermittelt. Die beiden gesteuerten Gleichrichter 37 und 38 werden somit immer dann gezündet, wenn sich der Widerstand zwischen der einen Basiselektrode und dem Emitter des Transistors 80 sprunghaft verändert und wenn an den gesteuerten Gleichrichtern eine Spannung in der Durchlassrichtung liegt. Dies ist immer bei einem der beiden gesteuerten Gleichrichter der Fall.

Parallel zu dem Kondensator 83 liegt ein weiterer Transistor 89, welcher den Kondensator 83 kurzschliesst, wenn an seiner Basis keine negative Spannung steht. Zwischen der Basis des Transistors 89 und der Leitung 65 liegt nun die Gleichstromseite einer Allwegbrückengleichrichterschaltung, deren Wechselstromseite an die Sekundärwicklung 26 des Transformators 24 angeschlossen ist. Wie bereits ausgeführt, wird der Primärseite dieses Transformators 24 die Steuerwechselspannung zugeführt. Parallel zu der Gleichstromseite der Brückengleichrichterschaltung 90 liegt ein Kondensator 91 und eine Schutzdiode 92.

Die Basiselektrode des Transistors 89 ist weiterhin über einen Widerstand 93 mit der Leitung 72 verbunden, die den positiven Pol des Netzgleichrichters 60 darstellt. Wenn nun an der Sekundärwicklung 26 des Transformators 24 keine Spannung erscheint, wird die Basis des Transistors 89 durch den Widerstand 93 auf positivem Potential gehalten, so dass der Transistor 89 leitend ist und sich der Kondensator 83 nicht aufladen kann. Eine Folge hiervon ist, dass der Transistor 80 gesperrt ist und keine Zündimpulse an die gesteuerten Gleichrichter 37 und 38 abgeben kann. Es entsteht somit keine Gleichspannung zwischen den Leitungen 15 und 16. Erscheint hingegen ein Signal an den

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Klemmen 23, lädt sich der Kondensator 91 auf, so dass an der Basis des Transistors 89 ein negatives Potential erscheint, welches den Transistor 89 sperrt. Eine Folge hiervon ist, dass sich der Kondensator 83 aufladen kann und wieder Zündimpulse zu den gesteuerten Gleichrichtern 37 und 38 gelangen. Bleibt die Wechselspannung an den Klemmen 23 aus, entlädt sich der Kondensator 91 über die Schutzdiode 92, so dass der Transistor 89 wieder leitend wird und keine Impulse mehr an dem Transistor 80 bzw. Widerstand 81 erscheinen.

Der Zündstromkreis D dient zur Erzeugung der Steuerimpulse für die gesteuerten Gleichrichter 50 und 51 in der Ausgangsstufe B. Zur Erzeugung der Speisegleichspannung für den Zündstromkreis D ist an die Sekundärwicklung 14 des Transformators die Gleichrichterbrückenschaltung 61 angeschlossen. Der positive Pol der so gebildeten Gleichspannungsquelle wird durch die Leitung 62, der negative Pol durch die Leitung 63 gebildet. Zur Glättung der Gleichspannung ist ein Glättungskondensator 95 zwischen diese Leitungen eingeschaltet.

Zur· Erzeugung der Impulse für die gesteuerten Gleichrichter 50 und 51 sind hier zwei einzelne Impulserzeuger vorgesehen, die unter sich identisch und im wesentlichen gleich aufgebaut sind wie der Impulserzeuger für.die gesteuerten Gleichrichter 37 und 38. Änschliessend soll der Impulserzeuger für den gesteuerten Gleichrichter 50 mehr im einzelnen erläutert werden.

Der Impulserzeuger enthält wiederum einen Doppelbasistransistor 100, der über die Widerstände 101 und 102 mit den Leitungen 62 und 63 verbunden ist. Der Emitter ist über den einstellbaren Widerstand 103 und den Kondensator 104 ebenfalls mit diesen Leitungen 62 und 63 verbunden. Die mit dem Widerstand 103 einstellbare Impulsfolgefre-

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quenz wird über die Leitung 30 und einen Schutzwiderstand 106 auf die Steuer- bzw. Zündelektrode des gesteuerten Gleichrichters 50 übertragen.

Die frequenzbestimmenden Elemente 103 und 104 sind so bemessen bzw. eingestellt, dass die Frequenz erheblich grosser ist als die Frequenz der Spannung, die von der Ausgangsstufe B abgegeben wird bzw. die Frequenz der Steuerspannung.

Parallel zum Kondensator 104 liegt ein Transistor 107, der bei Abwesenheit einer negativen Steuerspannung an seiner Basiselektrode einen sehr geringen Widerstand darstellt, d.h. das Schwingsystem durch Kurzschluss des Kondensators 104 sperrt. Die Basiselektrode des Transistors 107 ^⁸"** über einen Widerstand 108 mit der Leitung 62 und über eine Diode 105 mit der Leitung 63 verbunden.

Der Impulserzeuger für den gesteuerten Gleichrichter 51 hat die gleiche Funktionsweise wie der oben beschriebene Impulserzeuger. Daher wird er nicht näher erläutert. In der Fig.3 sind die Bezugszahlen der Bauelemente und Leitungen für beide Impulserzeuger die gleichen wie beim obenerwähnten Impulserzeuger. Zur augenfälligen Unterscheidung wurden in der Fig. 3 die Bezugszahlen der Bauelemente und Leitungen des Impulserzeugers für den gesteuerten Gleichrichter 51 lediglich mit einem "Strich"-Index versehen.

Die Basiselektrode ist weiterhin mit einem Ende der Sekundärwicklung 27 des Transformators 24 verbunden, dessen Primärseite mit der Steuerspannung gespeist wird, deren Frequenz von dem Umformer abgegeben werden soll. Das andere Ende der Sekundärwicklung 27 ist mit der Basiselektrode des entsprechenden Transistors des zweiten Impulserzeugers verbunden. Dieser Transistor in dem zweiten

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Impulserzeuger ist mit 107' "bezeichnet. Es ist nun ohne weiteres zu ersehen, dass die beiden Transistoren 107 und 107^f wechselweise gesperrt und offen sind, wobei der Wechsel jeweils bei dem Nulldurchgang der steuernden Wechselspannung erfolgt. Entsprechend kann jeweils nur ein Impulserzeuger die zum Zünden des angeschlossenen gesteuerten Gleichrichters erforderliche Impulsfolge abgeben. Während der oberen Halbwelle der steuernden Wechselspannung gebe beispielsweise der in der Zeichnung oben liegende Impulserzeuger eine Impulsfolge ab, so dass der gesteuerte Gleichrichter 50 gezündet wird, während in der zweiten unteren Halbwelle der unten liegende Impulserzeuger eine Impulsfolge an den Gleichrichter 51 zu dessen Zündung abgibt, in gleicher Weise, wie dies anhand von Pig. 2c,d erläutert worden ist.

Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die steuernde Spannung nicht notwendigerweise sinusförmig oder regelmässig sein muss. Vielmehr können über den Transformator 24 auch Impulsfolgen gegeben werden, bei denen die positiven und die negativen Halbwellen verschieden lange andauern. Entsprechend wird dann auch die Ausgangsspannung an der Sekundärwicklung geformt sein. Dies kann insbesondere dann von Bedeutung sein, wenn der Umformer als Generator für Funkenerosionsprozesse verwendet wird. Nachdem der Umformer sofort nach Eintreffen eines Signales zu arbeiten beginnt, d.h. auch innerhalb einer Halbwelle der Steuerspannung, eignet sich der Umformer ausgezeichnet für Netzkommandoanlagen. Alle eingegebenen Impulsfolgen erscheinen praktisch trägheitslos am Ausgang. Wie bereits erwähnt, wird dem speisenden Netz praktisch keine Leistung entnommen, wenn an dem Transformator 24 kein Eingangssignal erscheint.

Die Sicherheitsschaltung E dient dazu, eine Zerstörung der

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Gleichrichter 50 und 51 zu verhindern, wenn beispielsweise die Ausgangsseite kurzgeschlossen ist oder ein gesteuerter G-leiohriohter zufolge einer kapazitiven Belastung nicht wie vorgesehen erloschen ist. Wie bereits ausgeführt, arbeitet die Sicherheitssohaltung als logisches Element. Zur Ermittlung des Eingangssignals ist die Leitung 110 vorgesehen, deren eines Ende mit dem negativen Pol der Leistungsgleichrichterstufe A bzw. mit der Leitung 15 verbunden ist. Zur Ermittlung des Ausgangssignals sind mit den Leitungen 52 und 53 zwei Dioden 111 und 112 verbunden, deren Verbindungspunkt an die Leitung 120 angeschlossen ist.

Die Leitung 110 ist über zwei Widerstände 114 und 119 mit der Leitung 120 verbunden. Die Leitung 120 ist über eine Diode 116 mit dem Emitter des Transistors 80 und über einen Widerstand 115 mit der Leitung 72 verbunden. Weiterhin liegt zwischen der Leitung 72 und dem Verbindungspunkt der Widerstände 114 und 119 ein Kondensator 117.

Es sind nun drei Betriebszustände möglich. Der erste Betriebszustand ist beim Einschalten gegeben, d.h. zu dem Zeitpunkt, an welchem weder an der Leitung 15 bzw. 110 noch an der Leitung 120 eine Spannung erscheint. In diesem Fall arbeitet der Zündkreis C normal, da keinerlei Spannungen auf die Basiselektrode des Transistors 80 einwirken, die dessen Betriebsweise nachteilig beeinflussen könnten. Die Spannung wird sich entsprechend den Dimensionierungen des Kondensators 83 und des Widerstandes 84 wie oben beschrieben einstellen. Beim zweiten Betriebszustand ist sowohl auf der Leitung 110 als auch auf der Leitung 120 die normale Betriebsspannung. Die Spannung auf der Leitung 120 ist somit auf einem positiven Potential gehalten, so dass ebenfalls kein Potential zu dem Emitter des Transistors 80 gelangen kann, welches diesen nachteilig beeinflussen könnte.

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Ist hingegen gemäss dem dritten Betriebszustand auf der Leitung 110 eine Spannung und fehlt beispielsweise infolge eines Kurzschlusses die Spannung auf der Leitung 120, so ist zufolge des negativen Potentials, welches durch die Leitung 15 auf die Leitung 120 übertragen wird, die Diode 116 leitend_/ und die Basis des Transistors 80 erhält eine negative Vorspannung, so dass das System nicht schwingen kann.

Das System bleibt nun solange gesperrt, bis der Kondensator 117, der parallel zu den Widerständen 115 und 119 liegt, entladen ist. Palis der Kuraschluss oder die kurzzeitige Belastung, die die Störung hervorgerufen hat, sich in der Zwischenzeit behoben hat, arbeitet das System nach erneutem Anschwingen des Zündkreises 0 ordnungsgemäss weiter« Die Sicherheitsschaltung ist insbesondere deswegen bedeutungsvoll, weil einer der gesteuerten Gleichrichter 50 oder 51 zufolge spezieller Belastungsbedingungen nicht gelöscht worden sein kann, so dass beide gesteuerten Gleichrichter 50 und 51 gleichzeitig gezündet sind.

Die Dimensionierung des Kondensators 117 und der Widerstände 115 und 119 muss so bemessen sein, dass der Transistor 80 so lange gesperrt bleibt, bis die beiden gesteuerten Gleichrichter 50 und 51 mit Sicherheit erloschen sind.

Ist dies der Fall, arbeitet der Frequenzumformer weiter, wobei sich die Ausgangsspannung zufolge der Tatsache, dass die Zündung durch Impulsfolgen erfolgt, sofort wieder auf den Zustand einstellt, der durch die steuernde Wechselspannung an den Klemmen 23 des Transformators 24 gegeben ist.

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Claims

Patentansprüche

1. Statischer Frequenzumformer mit einer Leistungsgleichrichterstufe, einer Leistungsausgangsstufe zum Umformen der von ersterer erzeugten Gleichspannung in eine Wechselspannung vorgegebener Frequenz, mit in beiden Stufen vorgesehenen steuerbaren Halbleitergleichrichterstufen, mit zwei Zündstromkreisen, von denen der erste Zündimpulse für die gesteuerten Gleichrichter in der Leistungsgleiohrichterstufe abgibt und der zweite Zündstromkreis Zündimpulse für die gesteuerten Gleichrichter in der Leistungsausgangsstufe, wobei in letzterer ein Transformator angeordnet ist, dessen Primärwicklung über je einen der gesteuerten Gleichrichter mit dem einen Pol der Leistungsgleichrichterstufe verbunden ist, während der andere Pol der Leistungsgleichrichterstufe mit der Mittelanzapfung der Primärwicklung des Transformators verbunden ist, wobei zur Kommutierung ein Kondensator mit den Endpunkten dieser Primärwicklung verbunden ist, so dass durch Zünden eines gesteuerten Gleichrichters der andere gesteuerte Gleichrichter durch die Kondensatorladung gelöscht wird, gekennzeichnet durch die Kombination

a) mit einem Sicherheitsstromkreis, der als logisches Element ausgebildet ist und dessen Eingänge mit dem Eingang und mit dem Ausgang der Leistungsausgangsstufe und dessen Ausgang mit dem ersten Zündstromkreis verbunden sind, wobei das logische Element die Uebermittlung von Zündsignalen zu den gesteuerten Gleichrichtern der Leistungsgleichrichterstufe dann und nur dann unterbindet, wenn die Spannung im Eingang der Leistungsausgangsstufe die Spannung an dem Ausgang um einen vorgegebenen Wert übertrifft;

b) mit je einem unmittelbar an den Endpunkten der Primärwioklung in Serie geschalteten Gleichrichter zur belastungsunabhängigen Aufladung des Kommutierungskondensators j

c) mit mindestens während der vorgesehenen Zündperioden Impulsfolgen abgebenden Zündkreisen.

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2. Frequenzumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zündstromkreis zur Erzeugung der Zündimpulse für die gesteuerten Halbleitergleichrichter der Leistungsgleichrichterstufe einen Impulserzeuger enthält, der durch ein Ausgangssignal der Sicherheitsechaltung gesperrt werden kann_e

3. frequenzumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündstromkreis zum Zünden von gesteuerten Halbleitergleichrichtern in der Leistungsgleichrichterstufe eine Impulsfolge abgibt, wobei die Impulsfolgefrequenz grosser ist als die Frequenz der gleichzurichtenden Wechselspannung O

Frequenzumformer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsfolgefrequenz die Frequenz der gleichzurichtenden Wechselspannung mindestens um den Faktor drei übertrifft.

5ο Frequenzumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündstromkreis zum Zünden der gesteuerten Halbleitergleichrichter in der Leistungsausgangsstufe innerhalb jeder Halbwelle der abzugebenden Wechselspannung wechselweise den beiden gesteuerten Halbleitergleichrichtern eine Impulsfolge übermittelt.

6, Frequenzumformer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündstromkreis in jeder Halbwelle der abzugebenden Wechselspannung je einem der beiden gesteuerten Halbleitergleichrichter mindestens drei einzelne Impulse übermittelt.

7ο Frequenzumformer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Eingangstransformator für eine Steuerspannung zur Steuerung der Frequenz der Ausgangsspannung, wobei eine Sekundärwicklung eines Transformators den Zündstromkreis zum Zünden der gesteuerten Gleichrichter in der Leistungsausgangsstufe steuert.

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8# Frequenzumformer naoh Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Sekundärwicklung des Eingangstransformators für die Steuerspannung mit dem Zündkreis zum Zünden der gesteuerten Gleichrichter in der leistungsgleichrichterstufe derart verbunden ist, dass dieser Zündstromkreis nur dann Zündimpulse abgibt, wenn die Spannung an dem Eingangstransformator für die steuernde Wechselspannung einen vorgegebenen Wert übertrifft.

9· Frequenzumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitsschaltung ein Zeitverzögerungsglied enthält, welches bewirkt, dass nach einer Sperrung des ersten Zündstromkreises dieser erst nach einer vorgegebenen Zeitspanne wieder Zündimpulse für die Leistungsgleichrichterstufe auszugeben beginnt.

10. Frequenzumformer nach Patentanspruch 1, ausgebildet als Wechselrichter für Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung, wobei die Gleichspannung an die Mittelanzapfung einer Transformatorwicklung und, über je einen gesteuerten Gleichrichter, an die Endpunkte der Transformatorwicklung angeschlossen ist, und die Endpunkte der Wicklung durch einen Kondensator zur Kommutierung überbrückt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden gesteuerten Gleichrichter mit einem Zündstromkreis verbunden sind, der die beiden gesteuerten Gleichrichter wechselweise mit Impulsfolgen speist, wobei der Wechsel in der Uebermittlung der Impulsfolgen der gewünschten Frequenz der Ausgangsspannung entspricht.

11. Frequenzumformer nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in Serie zu den Endpunkten der Transformatorwicklung je eine Diode geschaltet ist.

Gp/r 27.2.69

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