DE1438648A1

DE1438648A1 - Umformer

Info

Publication number: DE1438648A1
Application number: DE19621438648
Authority: DE
Inventors: Donald Garbett; King Kenneth Gordon
Original assignee: Westinghouse Brake and Signal Co Ltd
Current assignee: Siemens Mobility Ltd
Priority date: 1961-01-06
Filing date: 1962-01-05
Publication date: 1968-12-19
Also published as: DE1663164A1; GB999544A; GB1062735A; BE642798A; US3366866A; GB994178A; BE612365A; US3242415A

Description

Umformer·

Die Erfindung bezieht sich auf Umformer, die dazu verwendet werden, aus einem Gleichstromspeiseeingang einen Wechselstromausgang zu erzeugen, und sie bezieht eich insbesondere auf Umformer, die Halbleiter-ochaltvorrichtungen, z.B. steuerbare Halbleiter-Gleichrichter, enthalten.

Ein Zweck der Erfindung besteht darin, einen verbesserten Umformer dieser Art zu schaffen, der einen Ausgang von nahezu sinusförmiger Wellenform liefert, eine gute ihm eigene Regelungsmögliohkeit hat und die Fähigkeit besitzt, ohne kritisohe Einstellung bei veränderlichen Belastungen zu arbeiten«

Sie Erfindung besteht in einem Umformer,weloher eine Anzahl Halbleiter-Schaltvorrichtungen und einen Resonanz-Stromkreis enthält, der auf eine Frequenz nahe der Arbeit·-

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frequenz des Umformers abgestimmt ist_y und in welchem den Schaltvorrichtungen Gleichrichter in umgekehrtem Sinn parallelgeschaltet sind, um den Energiefluß in dem Resonanzstromkreis in der umgekehrten Sichtung zu demjenigen zu ermöglichen, der durch die Sehaltvorrichtungen während jeder Halbperiode des Umformerausganges ermöglicht wird·

Nachstehend wird die Erfindung an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert.

Pig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines Umformers gemäß der Erfindung.

Pig. 2 zeigt verschiedene «ellenformen, die dem Umformer gemäß Fig. 1 zugeordnet sind.

Pig. 3 zeigt eine abgeänderte Ausführungaform eines Umformers gemäß der Erfindung,

Zur Durchführung der Erfindung gemäß einem zweckmäßigen Ausführungsbeispiel» wie es in Pig. 1 dargestellt ist, enthält ein Umformer zwei Halbleiter-Schaltvorrichtungen in Form von steuerbaren Halbleiter-Gleichrichtern TS1 und TS2, die jeweils über eine Hälfte der Primärwicklung eines !Transformators £1 und eine in Reihe geschaltete Induktanzspule 11 bzw. L 2 an eine Gleichstromquelle angeschlossen sind· Jedem der steuerbaren Gleichrichter 3731 und TS2 ist ein Gleichrichter ME1 bsw. ME2 in umgekehrten Sinne» d.h. mit entgegengesetzter Polarität parallelgeschaltet· Pig. 2 zeigt in den Reihen (a) bis H) verschiedene

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Wellenformen, die diesem Stromkreis zugeordnet sind, der wifi folgt arbeitet·

Wenn der steuerbare Gleichrichter IS1 durch einen Zlünäimpuls (Pig· 2a) gezündet wird, der durch zweckentsprechende, nicht dargestellte Mittel erzeugt ist, dann fließt Strom Ton der positiven Klemme der Gleichstromquelle durch die eine Hälfte der Primärwicklung des Transformators Π und die Spule L1 (wie in Fig. 2c dargestellt), um einen Kondensator C1 aufzuladen und eine annäher-nd sinusförmige Spannung an die Last anzulegen, vorausgesetzt, daß diese keine Übermäßig geringe Impedanz besitzt.

Wenn der Kondensator C1 vollständig aufgeladen ist und der Strom auf Null abfällt, wird der Gleichrichter TS1 abgeschaltet, und der Kondensator G1 entlädt sich dann durch den Gleichrichter ME1 zurück in die Stromquelle, wie dies in Fig. 2d dargestellt ist.

Gegebenenfalls kann ein zusätzlicher Kondensator (nicht dargestellt) über die Gleichstromquelle geschaltetwerden, um die Aufnahme von Rückstrom zu unterstützen.

Bald nachdem dieser Rückstrom durch den Gleichrichter MH1SU fließen beginnt, wird der Gleichrichter TS2 durch einen Zündimpuls (Fig. 2b) gezündet, und die ilakehr der Polarität der Ladung ai dem Kondensator C1 wird durch den Strom unterstützt, der von der Gleichstromquelle durch den Gleichrichter TS2 und die Induktanzspule L2Hießt, wie dies

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in Fig. 2f dargestellt ist.

Der Gleichrichter TS2 wird dann abgeschaltet, und der Kondensator 01 entlädt sich durch den Gleichrichter MR2 zurück in die Speiseleitung, wie dies in Fig* 2g dargestellt ist.

Die Folge der Vorgänge wird fortgesetzt, indem der Gleichrichter TS1 wiederum gezündet wird, kurz nachdem der Gleichrichter TS2 abgeschaltet wurden ist, so daß das Arbeiten auf diese Weise symmetrisch ist, wobei die Dauer des Leitens eines der steuerbaren Gleichrichter TS1 und TS2 in der einen Hälfte der Periode ungefähr der Dauer dea Leitens des Gleichrichters MR1 bzw. MR2 in der anderen Hälfte der Periode entspricht. Der Nettostrom, der aus der Stromquelle abgezogen wird, ist der Unterschied zwischen den Strömen des steuerbaren Gleichrichters IS1 bzw. TS2 und des anderen Gleichrichters MR1 bzw. MR2 und enthält eine Gleichstromkomponente mit gleichen Harmonischen der Arbeitefrequenz.

Aus den in Fig. 2 dargestellten Wellenformen ist ersichtlich, daß, nachdem einmal ein Zündimpuls an einen steuerbaren Gleichrichter angelegt worden ist, die Art und Weise, in der sich die Ströme und die Spannungen ändern, Ton den Stromkreiskonstanten abhängt, und daß ein weiterer Zündimpuls an dem gleichen steuerbaren Gleichrichter nicht eher wirksam werden kann, bis die liigenperipde beendet wor-

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den ist. Die Zündimpuls-V/iederholungsfrequenz darf daher die lSigenfrequenz dea Stromkreises nicht überschreiten.

Es ist weiterhin ersichtlich, daß, wenn die Lastimpedanz reduziert wird, sich die Dauer des Leitens der steuerbaren Gleichrichter erhöht, so daß die Abschaltoder i£rholungsdauer der steuerbaren Gleichrichter herabgesetzt wird, bis eie überhaupt nicht mehr abgeschaltet werden. Dies bestimmt dann die Lastimpedanz unterhalb welcher der Umformer nicht arbeitet·

Gegebenenfalls können die beiden Induktanzspulen L1 und L2 durch eine in der Mitte angezapfte Induktanzspule L3 ersetzt werden, wie dies in Pig. 3 dargestellt ist. Die Last und der Kondensator C1 können an zweckentsprechende Wicklungen des Ausgangstransformators auf verschiedene Weise angeschlossen werden.

Der oben beschriebene Umformer kann so ausgeführt sein, daß er die folgenden Vorteile besitztt

1) Die Ausgangswellenform ist annähernd sinusförmig alt einem kleinen Anteil an Harmonischen, selbst ohne Filter für Harmonische.

2) Der Umformer arbeitet bei Nicht-Belastung·

3) Die Lastregelung ist yon sich aus gut«

4) Da der Strom des steuerbaren Gleichrichters vor der Abachaltperiode in natürlicher Weise auf Mull abfällt» ist die erforderliehe Abschaltzeit kleiner

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als bei normalen parallelen Umformern, land der Stromkreis ist für das Arbeiten bei Hochfrequenz geeignet·

5) Die steuerbaren Gleichrichter sind durch die ihnen, parallelgeschalteten Gleichrichter gegen Umkehrspannungen geschützt» wodurch die Gefahr einer Beschädigung auf ein Geringstmaß reduziert und die Auswahl von steuerbaren Gleichrichtern mit Hochspannungsdurchschlageigenschaften erleichtert wird· Der Wert des Kondensators wird dadurch festgelegt, daß seine !Reaktanz bei der Resonanzfrequenz kleiner als die zu speisende maximale last ist, und ein geeigneter Wert ist t/3. Ein Wert von 01, bacogen auf jede Hälfte der Primärwicklung, kann dann errechnet werden.

Die Werte von L1 und L2 werden so gewählt, daß sie mit dem genannten Y/ert von 01 bei einer Frequenz in Resonanz kommen, die etwas höher als die ^usgangafrequenz ist· Eine annehmbare Ausgangswellenform kann erhalten werden» wenn die Resonanzfrequenz 5OfS höher ala die Ausgangefrequenz liegt.

Obgleich die Erfindung in erster Linie mit Bezug auf steuerbare. Halbleiter-Gleichrichter beschrieben worden ist, ist ersichtlich, daß an ihrer Stelle auch andere Halbleiter-Schal tvorrichtungen _t wie Schalttransistoren, verwendet werden können·

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mm 7 —.

Bin Li chut ε gegen säßige Überlastungen kann dadurch erhalten werden, daß dafür Sorge getragen wird, daß die C¹ ι steuerbaren Gleichrichtern zugeführten Zündimpulse in dem Augenblick unterbrochen werden, in dem der Ausgangsstrom den maxiaalen Wert überschreitet, für den der Umformer entworfen ist, ao daß der Umformer zu arbeiten aufhört and in einem sicheren (nicht-leitenden) Zustand verbleibt.

Die etrommäßige Belastbarkeit des Umformers kann durch Verwendung τοη Gruppen steuerbarer Gleichrichter erhöht werden, die parallelgeschaltet sind oder effektiv parallel arbeiten* Xn diesem Fall können die Induktanzspulen IA und L2 in eine Anzahl Induktanssen, die der Zahl der parallelen steuerbaren Gleichrichter entspricht, unterteilt werden, so daß sie dazu beitragen, den Strom swisehen den steuerbaren Gleichrichtern unabhängig von deren Leiteigenschaften genau su verteilen.

Verschiedene Abänderungen können im Rahmen der Erfindung vorgenommen werden.

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Claims

Patentanaprüche.

1,)) Umformer, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Anzahl Halbleiter-Schaltvorrichtungen und einen Resonanastromkreis enthält, der auf eine Frequenz nahe der Arbeitsfrequenz des Umformers abgestimmt ist, und daß den Schaltvorrichtungen Gleichrichter in umgekehrtem Sinn parallelgeschaltet sind, um den ünergiefluß in dem Resonanzstromkreis in der umgekehrten Richtung zu demjenigen zu ermöglichen, der durch die Sehaltvorrichtungen während jeder Halbperiode des Umformerausganges ermöglicht wird.

2·) Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die uchaltvorrichtungen so angeschlossen sind, daß sie eine Gleichstromquelle abwechselnd mit den beiden Hälften einer Primärwicklung eines Transformators verbinden.

3.) Umformer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Hälfte der Primärwicklung des Transformators mit einer Induktanz oder mit der einen Wicklung einer gemeinsamen Induktanz in Reihe geschaltet ist·

4.) Umformer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator eine Wicklung aufweist, der ein Kondensator parallelgeschaltet ist.

5.) Umformer nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktanz oder die Induktanzen und

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der Kondensator so gewählt gind, daß der Stromkreis bei einer Frequenz oberhalb der Arbeitsfrequenz des Umformers in Keoonanz kommt·

6.) Umformer nach einem der Ansprüche 2 bis 5» dadurch gekennzeichnet, dai3 ein zusätzlicher Kondensator über die Gleichstromquelle geschaltet ist.

7.) Umformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die ein Arbeiten der Schaltvorrichtungen in dem Fall verhindern, in welchem der Ausgangsstrom einen maximalen Wert überschreitet.

8.) Umformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Gruppen von Schaltvorrichtungen so angeschlossen oder ausgebildet sind, daß sie effektiv parallel arbeiten, um die strommäßige Belastbarkeit des Umformerβ au erhöhen.

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