DE1488120A1 - Elektrostatischer Wechselrichter - Google Patents

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PATENTANWÄLTE

DR.ING. H. NEGENDANK · dipping. H. HAUCK · DiPL-PHYS-W. SCHMITZ

HAMBURG-MÜNCHEN 1 4 ft P 1 9 Π ZUSTELLPNGSANSCHRIFT: HAMBURG 36 · NEUER WALL·

TEL. 86 74 28 UND :ΐβ 41 15

TBLBGR. NBQEDAPATENT HAMBURO

P 1 4- 88 120*0 MÜNCHEN 15 · MOZARTSTR.

TEL.5380586 TELEOR. NBOBDAPATENT MÜNCHEN

BORG-WARHER CORPORATION

Hamburg, 17. April 1968

Elektrostatischer Wechselrichter

Unter einem Wechselrichter versteht man eine Anlage zum Umformen von Gleichstromenergie in Wechselstromenergie. Allgemein weist eine derartige Anlage Schaltmittel auf, die periodisch Detätigt werden können, um die Richtung des Energieflusses durch eine Last umzukehren. Die Energie kann von einer Batterie oder einer anderen Gleichstromquelle geliefert werden. Auf die Last gelangt somit ein Energiefluß, der sich mit einer Frequenz ändert, die durch die Betätigung des Schalters (oder der Schalter) bestimmt wird. Mit dem Aufkommen von Halbleiterelementen sind verschiedene Anlagen entworfen worden, die Halbleiter als Schalter und Sicherung benutzen, um Gleiehetromenergie in Wecbselstromenergie umzuformen. Die anfänglichen Vorteile, nämlich schnelle Schaltet j zeit, vernachlässigbarer Widerstand im Leitzustand und geringes Gewicht wurden durch die Entwicklung und Verwendung von gesteuerten Hochleistungshalbleitergleichrichtungen wie z.B. geeteuerten Silisiua-Gleichrichtern (Vierschichttrioden) vermehrt. Der Ausdruck "elektrostatisch" wird häufig bei einer solchen Anlage Ttrwmndt, bei der also keine sich drehende

Neue Unterlagen ^t; _s ι aj». 2 Nr. 1 sau 3 des Änderungen v. 4.9. ige _ ₂ BAD ORtGiNAl

Maschine oder andere sich bewegenden Teile bei der Energieumformung erforderlich sind. Nach den ersten Ausführungen solcher elektrostatischer Umformer wurde die Aufmerksamkeit auf eine Erhöhung des Wirkungsgrades und eine Verminderung ihrer Kosten gerichtet.

Bei einem Brückenwechselrichter, der Halbleiterschalter verwendet, müssen diese Schalter ein- und ausgeschaltet werden, wozu schaltbare Reaktanzen, wie Kondensatoren und Drosselspulen häufig verwandt werden. Daher ist in diesen Reaktanzen eine beträchtliche Energiemenge periodisch gespeichert, die an die Anlage zurückgeführt wird, um bei der umschaltung eines Halbleiterschalters aus dem leitenden in den nicht leitenden oder aus dem nicht leitenden in den leitenden Zustand zu helfen. Die so rückgeführte Energie wird in den angeschlossenen Halbleiterschaltanlagen (und Sperrelementen, wie Dioden) vernichtet, wenn gewisse Einheiten unterbrochen und andere Einheiten eingeschaltet werden. Dieser Xeistungsverlust wird größtenteils wegen der erwünschten Erzeugung eines quadratischen Wellenausgangssignals in Kauf genommen. Diese Betriebsweise verschwendet Energie, verringert die gesamte Ausgangsleitung und den Wirkungsgrad der gesamten Wechselrichteranlage, und verursacht gleichermaßen ein unnötiges Erwärmen der Schalteinheiten, wodurch gesteuerte Silizium-Gleichrichter oder ähnliche Elemente mit höherer Leistung und Wärmekapazität benutzt werden müssen.

Ea ist daher Hauptaufgabe der Erfindung, eine elektrosta-

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tische Wechselrichteranlage zu schaffen, die im wesentlichen einen höheren Wirkungsgrad hat, als er mit früheren Anlagen erreicht wurde.

Eine Zusatzaufgabe der Erfindung ist, eine derartige Anlage zu schaffen, bei der das Erwärmen der Halbleiterelemente auf ein Minimum reduziert wird.

Eine besondere Aufgabe der Erfindung besteht darin, in einem elektrostatischen Wechselrichter, bei dem einander entgegenwirkende Schaltelemente in form von Reaktanzen verwendet werden, Mittel zu schaffen, die die in diesen Seilen aufgespeicherte Energie an den Singangsstromkreis, von dem die Energie geliefert wird, zurückgeben, um die Verluste und nutzlose Vernichtung dieser Energie auf ein Minimum zu reduzieren.

Diese Aufgaben der Erfindung werden erfindungsgemäB verwirklicht, indem eine Wechselrichteranlage geschaffen wird, die Halbleiterschaltmittel einschließt, welche zwischen ersten und zweiten Stellungen arbeiten können, um über einen Eingangsstremkreis empfangene Sletbbstromenergie in Wechselstromenergie eee umzuformen und über co einen AusgangsStromkreis an eine last abzugeben. Weiterhin ο ist «ine Vorrichtung vorgesehen, um den Betrieb der HaIb- ^ leiterschaltelemente von einem »um anderen Schaltzustand ct einzuleiten und Reaktanzen, die diesen Betrieb verstärken.

oo Diese Reaktanzen tragen dazu bei, Energie periodisch zu speichern und diese Energie danach an die Anlage für eine eventuell· Vernichtung durch einen erneuten Umlauf durch

die verschiedenen Elemente einschließlich der Halbleiterschaltelemente zurückzuführen. Erfindungsgeeäß sind Schaltelemente rorgesehen, um eine solche Vernichtung durch den erneuten Umlauf zu vermeiden, indem die periodisch rückgeführte Energie oder die von den Reaktanzen aufgegebene Energie an den Eingangestromkreis zurückgegeben wird. Auf diese Weise wird ein übermäßiges Erwärmen der Schaltelemente vermieden, die physikalische Größe und Stufe der verschiedenen Teile für einen gegebenen Leistungsbedarf auf das Minimum reduziert minimal gehalten und eine wirksamere Anlage geschaffen.

Um den Fachmann mit der Art und Weise bekannt zu machen, die !für die Herstellung und Verwendung der Erfindung für die

Beste gehalten wird, folgt'nun eine eingebende Beschreibung

in

derselben/Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen, in denen gleiche Bezugsziffern gleiche Teile bezeichnen.

Pig. 1 ist ein Blockschaltbild einer Wechselrichteranlage, die gemäß der Erfindung abgeändert wurde;

fig. 2 ist ein Schaltbild einer Phase einer dreiphasigen

_t^ Wechselrichteranlage;

"s. Pig. 3 ist eine graphische Darstellung, die der Erläuterung £J von durch die Erfindung gelösten Problemen dient;

Fig. 4 ist ein Schaltbild, und Pig. 5 eine zu Pig. 4 gehörige graphische Darstellung; beide

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dienen der Erläuterung der in früheren Wechselrichteranlagen mit schaltbaren Reaktanzen vorhandenen Energievernichtungsprobleme;

Fig. 6 ist ein Schaltbild einer Ausführung der Erfindung, and

Fig. 7 eine sa der Ausführung nach Fig. 6 gehörige graphische Darstellung;

Fig. 8 ist ein Schaltbild einer anderen Ausführung der Erfindung, and

Fig. 9 ist eine zu der Ausführung nach Fig. 8 gehörige graphische Barstellung;

Fig. 10 ist ein Schaltbild eines dreiphasigen elektrostatischen Wechselrichters, bei dem in jeder Phase eine bevorsagte Aasführungeform der Erfindung verwendet ist, and

Fig. 11 and 12A - 120 sind Darstellungen von Wellenformen,

die zur Erläuterung der Betriebsweise des in Fig. dargestellten Wechselrichters dienen.

Wie in Fig. 1 als Blockschaltbild dargestellt ist, ist ein dreiphasige« Wechselrichter 20 vorgesehen, am von Anschlüssen 21 and 22 über einen Eingangskreis einschließlich elektrischer Leiter empfangene ölelchstroaenergie in Weehsel-

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stromenergie umzuformen, die dann über geeignete Leiter an eine Last 23 abgegeben wird. Kennzeicbnenderweiae weist der. dreiphasige Wechselrichter 20 drei getrennte Phasenstromkreise 2OA, 2OB and 2OC auf. Wie später erläutert wird, weist jeder einzelne Phasenstromkreis in gleicher Weise zwei Unterstromkreise auf, die symmetrisch angeordnet und miteinander gekoppelt sind, am bei wechselnden Halbperioden des Betriebs zu leiten. Dieser wechselnde Leitzustand wird durch geeignete Anschnittsignale gesteuert, die in einem Steuerstromkreis 24 erzeugt und über einzelne Leiter zum Beispiel 27 und 28, an die unterStromkreise des dreiphasigen Wechselrichters abgegeben werden. Die Anlage nach der Erfindung ist insbesondere durch einen Energierückführstromkreis 25 und gewisse feile in dem Dreiphasenwechselrüater 20 gekennzeichnet, die zusammenwirken, um einen beträchtlichen Seil der Umrichtenergie, die sonst nutzlos verbraucht werden würde, in den Gleichströmeingangskreis zurückzuführen. Zum besseren Verständnis der an dem Dreiphasenwechselrichter 20 vorgenommenen Änderung und das Energierückführstromkreises 25 werden die durch herkömmliche Stromkreise aufgeworfenen Probleme zuerst in Verbindung mit dem in Pig. 2 dargestellten Einphasenstromkreis erläutert.

Der in Pig. 2 gezeigte einphasige Stromkreis kann als ein Teil einer dreiphasigen Anlage betrachtet werden, z.B. den Block 20a in ?i*g. 1 darstellen. Die Grleichstrom-Eingangsenergie wird von den Anschlüssen 21 und 22 über Eingangsleiter 32, 38 in den Einphasenstromkreis gegeben, und ein Ausgangs- oder Lastleiter 26 (die beiden anderen Ausgangs-

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leiter sind nicht beziffert) wird dazu benatzt, Wechselstromenergie der Last zuzuführen. Über die Leiter 27 and 28 werden Singangsscbaltsignale empfangen. Die übrigen vier Leiter, die den Steuerstromkreis 24 and den Wechselrichter 20 in Pig. 1 miteinander koppeln, haben nichts mit dem Stromkreis in ?ig. 2 za tan, sondern dienen dazu, verwandte Anschnittsignale an die Halbleiterschalter in den Phasenstromkreisen 2OB and 20 C abzugeben.

Aus der ?ig. 2 ist ersichtlich, daß dieser Phasenetromkreis tatsächlich aus zwei unterStromkreisen besteht, die ähnlieh aufgebaut and miteinander gekoppelt sind. Der Leiter 2t für ein Steuersignal ist an die Steuerelektrode eines gesteuerten Halbleiterventils 29 gekoppelt, das ausgesteuerter Silizium-Gleichrichter dargestellt ist, der eine Steuerelektrode oder ein Gitter 29g, eine Kathode 29c und eine Anode 29a hat. Die Kathode 29c ist über eine induktive Reaktanz 30, die als

Drosselspule oder Wendefeldwicklaag dargestellt ist, an den

mit der Last verbundenen Leiter/angeschlossen, und ein Kondensator 31 ist mit dem Leiter 26 und dem Eingangeleiter 32 verbanden, der seinerseits mit der Eingangsflimme 21 verbunden ist.. Eine Diode 33 ist mit der Anode 33a am Leiter 26 und mit der Kathode 33c am Leiter 32 angeschlossen.

Der andere Unterstromkreis in fig. 2 weist einen Kondeneator 34» eine induktive Reaktanz 35» ein Halbleiterventil 36 and einen Gleichrichter auf, der als Diode 37 dargestellt let. Die Induktive Reaktanz 35 let mit der Reaktanz 30 des andere· ünterstromkreises gekoppelt, Indem z.B. diese felle

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auf denselben magnetisierbaren Kern (nicht gezeigt) gewickelt sind. Ein zweiter Eingangsleiter 38 ist an die Anode 37a der Diode, die Kathode 36c des Ventils 36, an eine Elektrode des Kondensators 34 and an die Hemme 22 des Eingangsstromkreises angeschlossen. Die andere Elektrode des Kondensators 34 and die Kathode 37c der Diode sind mit dem Belastangslelter 26 verbanden, and dieser Leiter ist über die Reaktanz 35 mit der Anode 36a des gesteuerten Silizium-Gleichrichters 36 gekoppelt. Der Beiastangeleiter 26 kann als Teil des Yechselstromausgangsstromkreises und die Leiter 32 and 38 als feil des Gleichstrom-Leietungs-Eingangsstromkreiees für den Wechselrichter betrachtet werden, der das in Pig. 2-gezeigte Unterstromkreispaar einschließt.

In dieser Beschreibung wird der Ausdruck "Strom" dazu benutzt, um einen Energiefluß von einer Potentialebene in Richtung einer zweiten Potentialebene zu beschreiben, wobei die erste Ebene eine Polarität hat, die bezüglich der der zweiten Ebene positiv 1st. Da der Betrieb eines gesteuerten Silizium-Gleichrichters stark dem eines Schnappschalter ähnelt, werden die Ausdrücke "leitend" und "nichtleitend", "offen" und "geschlossen", oder "an" and "aas" dazu benatzt, die Beschaffenheiten oder Zustände dieser Schalter in der folgenden Beschreibung darzustellen.

Es wird zunächst angenommen, daß der Schalter 36 geschlossen oder leitend und der Schalter 29 offen ist. Obwohl ein kleiner in Durchlassrichtung gerichteter Spannungsabfall in der

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Größenordnung von einem Volt über Yent11 36 besteht, wenn dieser Schalter geschlossen 1st, beeinflußt dieser geringe Abfall die ausgezeichneten Schalteifcenschaften des Ventils nicht wesentlich. Demgemäß fließt ein Laststrom von der Last über den Leiter 26, die Wicklung 35, den Schalter 36 und den Leiter 38 sum Eiagangsstromkreis oder die Last zurück. Vegen des vernachläseigbaren Widerstandes gegen den Stromfluß «wischen den Leitern 26 und 33 wird auch nur eine vernachlässigbare Ladung rom Kondensator 34 gesammelt. Zu diesem Zeitpunkt 1st der Schalter 29 jedoch offen, und daher ist der Kondensator 31 ungefähr auf die Spannung V aufgeladen worden, die an den Klemmen 21 und 22 des Eingangsstromkreises liegt. Die Ladung hat eine Polarität, die durch die + und Zeichen ang«eigt 1st. Es wird angenommen, daß nach Herstellung dieser Anfangsbedingungen, ein Trigger- oder Steuerimpuls ron dem Steuerstromkreis 24 (Figur 1) über den Leiter 27 empfangen und an die Steuerelektrode 29g des Schalters 29 gelegt wird, um diesen Schalter einzuschalten.

Der Schalter 29 wird leitend und schließt während dieser Halbperiode des Betriebs einen LastStromkreis, wobei der Laststrom in entgegengesetzter Richtung über die Lastleitung 26 fließt. Hach der Umkehrung fließt Laststrom vom Eingangsleiter 32 über Schalter 29, Wicklung 30 und Leiter 26 zur Last. Wenn jedoch die von dem Stromrichter verborgte Last eine Induktiv· Reaktaas 1st - und pvaktlsch 1st die Last (z.B. ein Motor) sehr oft derartig beschaffe« - dann geht die Komponente des Lastetroma, die euror von der Last über den Leiter 26 and

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durch die Wicklung 35 floß, nicht sofort auf Null, wenn der Sc hiter 29 eingeschaltet wird.

Wenn der Schalter 29 geschlossen wird, legt der Kondensator 31 sofort eine Potentialdifferenz: an die Wicklung 30, deren Polarität durch die + und - Zeichen In flg. 2 dargestellt wird, und eine PotentlaidIfferenz gleicher Polarität erscheint an der Wicklung 35» wodurch am Schalter 36 die erforderliche Spannung anliegt, um diesen Schalter zu unterbrechen. Zusätzlich wird der zuvor durch Wicklung 35 and Schalter 36 fließende Laststrom über den von den Wicklungen 35 und 30 gebildeten magnetischen Stromkreis an den oberen UnterStromkreis übertragen. Weiterhin gelangt ein gewisser Teil des Laststroms (vor der Umkehrung) über den Leiter 26 und den Kondensator 34 an den Leiter 38, wenn der Schalter 36 unterbrochen wird, wodurch eine schnelle Aufladung des Kondensators bis auf die Spannung T bewirkt wird.

Die an Schalter 36 angelegte Sperrspannung wird aufrechterhalten, während der Kondensator 31 sich über einen Weg, der den Leiter 32, Schalter 29» Wicklung 30 und zurück an die andere Elektrode dieses Kondensators führenden Leiter 26 entlädt. Diese schnelle Entladung des Kondensators 31 über die Wicklung 30 bewirkt einen schnellen Spannungsanstieg an und eine schnelle Energiespeicherung in der Wicklung 30 (siehe ?ig. 3)· Der nichtleitende Zustand des Schalters 36 wird schnell erreicht, nachdem Schalter 29 eiqjescbätet ist. Demgemäß wird beim Einschalten dieses Schalters dem Strom durch den Schalter 29 und die Wicklung 30 ein geringfügiger Widerstand entgegengesetzt., nnd der Kondensator 31 wird während eines nur geringen Zeitabschnitts am Beginn dieser Betriebshalbperiode im wesentlichen völlig entladen. Das zuvor beschriebene Aufladen des Kondensators 34 wird noch durch

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einen Stromfluß verstärkt, der von der Klemme 21 über Leiter 32, Schalter 29» Wicklung 30, Leiter 26, Kondensator 34 und Leiter 38 an die Klemme 22 führt. Wenn der nächste Steueroder Schaltimpuls über den Leiter 28 an die Steuerelektrode 36g des Schalters 36 gelegt wird, dann wird dieser Halbleiterschalter eingeschaltet, um eine andere Halbperiode des Betriebs einzuleiten, die der eben beschriebenen gleich ist.

Mit dem Leitendwerden des Schalters 29 und dem Entladen des Kondensators 31 über diesen Schalter und über die Wicklung 30 fließt ein Strom durch die Wicklung 30, der dem durch Kurve 39 la I¹Ig. 3 angezeigten ungefähr entspricht. Wegen der elektromagnetischen übertragung des Laststroms von Wicklung 35 auf Wicklung 30 und des schnellen Entladens von Kondensator 31 über den Stromkreis, der die Wicklung 30 einschließt, kann der Strom von der Größe im eingeschwungenen Zustand eine Größe erreichen, die das zwei- bis dreifache derjenigen des eingeschwungenen Zustande beträgt. Zwischen den Zeiten t_Q bis t₁ wird daher Energie in dem magnetischen Feld der Wicklung 30 gespeichert, und danach wird Energie wieder an den oberen Unterstromkreis (in Pig. 2 gesehen) zurückgegeben, während sich die Amplitude des Stroms durch die Wicklung 30 auf die Größe bei Belastung im eingeschwungenen Zustand verringert.

^ Zum Zeitpunkt t^ erreicht die Größe des durch die Wicklung 30

^ fließenden Stroms das Maximum. Wegen der Parallelschaltung

oo zwischen Kondensator 31 und Wicklung 30 (wobei Schalter 29 zu

° diesem Zeitpunkt «Inen geringfügigen Wlderstnd darstellt) besteht in diesem Stromkreis ein« Ieigung sum Schwingen. Wenn sich demgemäß die Größe des durch die Wicklung 30 fließenden

Stroms nach dem Zeitpunkt t^ zu verringern beginnt, dann wird gemäß dem bekannten Verhalten derartiger elektrischer Stromkreise die Polarität der Potentialdifferenz an der Wicklang 30 mit Bezug auf die in Fig. 2 gezeigte umgekehrt. Die Wicklang 30 tritt dann als Energiequelle auf und versucht, Energie über einen Weg, der die Diode 33 and den gestearten Silizium-Gleichrichter 29 einschließt, an den unteren Stromkreis zurückzuführen.

Weil diese drei Schaltelemente (29, 30 und 33) bei der Betrachtung dieser Rückführung und Vernichtung der periodisch in der Wicklung 30 gespeicherten und von ihr wieder abgegebenen Energie von großer Bedeutung sind, wird eine Erläuterung von diesen Vorgängen in Verbindung Bit I¹Ig. 4 gegeben.

Nachdem das Ansteigen des Stroms durch die Wicklung 30 aufgehört hat und der Strom wieder abnimmt, wird die Polarität der Potentialdifferenz an der Wicklung 30 durch die +und Zeichen wiedergegeben, die in der Flg. 4 dargestellt sind. Von der Wicklung 30 über Leiter 26 in Richtung der Last gesehen, bildet sich ein beträchtlicher Widerstand aus. Jedoch ist der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung der Diode 33$ wenn er zu dem Abfall über den leitenden Schalter 29 addiert wird, sehr gering; er hat die Größenordnung von zwei Volt, und daher fließt ein umlaufender Strom, wie durch den Pfeil 40 angezeigt ist, durch diese feile und zurück an die Wicklung 30, um die periodisch aufgespeicherte und freigegebene Energie zu'vernichten. Die Energie wird hauptsächlich durch Erwärmen der Diode und des gesteuerten Silizium-Gleichrioh-

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ters vernichtet. Diese Energie ist der zwischen den Zeiten t, and t_? anter der Kurve 42 in Jig. 5 gebildeten gestrichelten fläche 41 proportional. Wegen der hohen Strombelastbarkeit vieler gesteuerter Silizium-Gleichrichter, bei denen der Spitzenstrom die Größenordnung von cteihundert bis vierhundert Ampere haben kann, wird eine beträchtliche Menge der abgegebenen Umschaltenergie bei der Vernichtung in der Diode und in dem Gleichrichter vergeudet. Die Größe, bis zu der die Kurve 42 ansteigt, erhöht sich mit abnehmender Last; aber seiet wenn die Anlage voll belastet ist, erfolgt eine beträchtliche Erwärmung der Halbleiter und damit ein beträchtlicher Energieverlust. Es ist diese zuvor vergeudete Energie, die bei der Erfindung im wesentlichen wiedergewonnen und an den Eingangsstromkreis zurückgeführt wird.

Gemäß der Erfindung ist,wie in Pig. 6 dargestellt, ein Energierückführstromkreis 60 vorgesehen, um die Umschaltenergie an den Eingangsstromkreis zurückzuführen, die die Wicklungen 30 und 35 der beiden Unterstromkreise passiert, welche den dort gezeigten Phasenstromkreis bilden. Der Stromkreis 60 schließt einen Transformator 61 ein, der eine Primärwicklung 62 und eine Sekundärwicklung 63 sowie ein Paar Dioden oder Gleichrichter 64 und 65 aufweist. Der Ausgangs- oder c^ Lastleiter 26 wird an einem Punkt unterbrochen, der zwischen

σ> der gemeinsamen Terbindung der Spulen 30 und 35 und der geo

^ meinsamen Verbindung der Dioden 33 und 37 liegt, und die ^ Primärwicklung 62 dee Transformators 61 ist zwischen diesen

ο Punkten in den Stromkreis geschaltet. Jedes Ende der Sekun-

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därwicklung 63 ist an die Anorde eines der Gleichrichter 64t 65 angeschlossen, und die Kathoden dieser Gleichrichter sind

gemeinsam an den Eingangsleiter 32 angeschlossen. An der Mittenanzapfung der Sekundärwicklung 63 liegt eine Bezugsspannung, herkömmlicherweise Masse.

Der Betrieb des in Pig. 6 gezeigten Stromkreises vollzieht sich analog zu dem in Verbindung mit Pig. 4 beschriebenen, indem nach Abschalten des Schalters 36 und Einschalten des Schalters 29» der Kondensator. 31 sich über einen Weg entlädt, der die Wicklung 30 einschließt, um das Speichern der elektrischen Energie in dieser Wicklung zu bewirken. Bezüglich des in Pig. 6 gezeigten oberen Unterstromkreises kann der Kondensator 31> die Wicklung 30, oder die Kombination dieser beiden Teile als eine umschaltbare Reaktanz betrachtet werden, die Energie speichert (die von einer polarisierten Quelle über die Eingangsliiter und 38 empfangen werden kann) und danach die Energie an den angeschlossenen UnterStromkreis zurückgibt. Die Rückgabe der Energie aus dem Kondensator 31 geschieht, während er sich entlädt, und die aus der Wicklung 30 während das magnetische PeId in ihr zusammenbricht.

Das Aufspeichern der Energie in Wicklung 30 während des Entladens Ton Kondensator 31 ist durch den gekrümmten Anfangsteil der Kurve 66 in Pig. 7 dargestellt. Aus einem Vergleich mit der Darstellung in Pig. 5 ist ersichtlich, daß diese anfängliche Speicherung magnetischer Energie in der Wicklung 30 der zuvor beschriebenen ähnlich ist. Wenn jedoch die Größe des Stromflusses durch die Wicklung 30 ihr Maximum erreicht hat und dann abzunehmen beginnt, dann kehrt sich die Polarität der an der Wicklung 30 liegenden Spannung um, und diese Wicklung

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erscheint als Energiequelle, die versucht, die zuvor aufgespeicherte Energie an den oberen Stromkreis einschließlich des Schalters 29 und der Diode 33 abzugeben. Die Größe des Stromflusse· durch die Wicklung 30 beginnt sich zu verringern, und die induzierte Spannung, die durch das Produkt aus Induktivität L der Wicklung 30 und zeitlicher Stromänderung di/dt ausgedrückt wird, beginnt sich zu erhöhen. Diese Spannung tritt; an dem Stromkreis auf, der den Leiter 26 sowie Primärwicklung 62, Diode 33» Leiter 32 und Schalter 29 einschließt. Ein ansteigender Spannungsabfall erscheint an der Primärwicklung 62 des !Transformators 61, und nachdem dieser Spannungsabfall eine vorherbestimmte Größe erreicht, die durch die physikalischen Größen und das Windungsverhältnis des Transformators bestimmt wird, ist die an der Sekundärwicklung 63 auftretende Spannung so beschaffen, daß der Stromkreis bei einer gewissen Größe "festklemmt" (clamps) und Strom durch die Gleichrichter 64 und 65 an den Eingangsleiter 32 zurückfließt. Zu diesem Zeitpunkt, der durch t, in Flg. 7 dargestellt ist, beginnt der Strom, wieder durch den oberen UnterStromkreis umzulaufen.

Ein beträchtlicher Teil der periodisch rückgeführten Energie wird über die magnetische Kopplungsanordnung, Transformator 61, und die Gleichrichteranordnung, die die Gleichrichter 64 und 65 enthält, zurück an den Eingangsstromkreis geleitet. Die Wirkung dieses erneuten Umlaufs und der Energierückführung wird durch die schraffierte fläche 67 unter der Kurve 66 dargestellt, die anzeigt, daß eine wesentliche Verminderung in der Erwärmung der Diode 33 and des Schalters 29 bewirkt wurde (siehe Vigor 5)· ferner ist der Zeitabschnitt für die Hftok-

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führung der gespeicherten Energie zwischen den Zeitpunkten t₅ and t^ In Figur 7 gezeigt, and dieser Zeitrau« 1st wesentlich geringer als der Zeltabschnitt zwischen t^ and t_g In figur 5. Ss 1st nicht erforderlich, für die Einheit 61 In figur 6 einen großen Transformator zu benutzen, da das Spannungs-Zeit-Integral oder das Produkt aas der Spannung, die über den Transformator 61 geführt werden maß, and de« Zeitabschnitt, während dem diese Spannangstransformation erfolgt, verhältnismäßig klein ist. Mit anderen Worten let der Transformator 61 so aasgelegt, daß er ein Spannungs-Zeit-Integral hat, das gerade groß genug 1st, am sicherzustellen, daß die Umschaltenergie zurückgeführt wird. DemgemäS stellt die In figur 6 gezeigte Anordnung einen wirkungsvollen Energiertickftthrungskreis für die Rückführung von Energie dar, die periodisch von den umschaltbareq Reaktanzen eines jeden ünterstromkrelses aufgespeichert and abgegeben wird, an den Eingangastromkreis der Wechselrichteranlage, am den Wirkungsgrad EU erhöhen and das Erwärmen der Schaltelemente, z.B. 29 and 33» zu vermindern. Es wäre wünschenswert, den Wirkangegrad des Energierückführangskreises weiter zu erhöhen and die schraffierte fläche auf VuIl zu reduzieren, aber in flg. 6 tritt ein geringer erneuter Umlauf der rückgeführten Energie auf, nachdem der Transformator an der Sekundärwicklung 63 eine genügend hohe Spannung besitzt, am die ^Nfestklemm"-Spannung dieses Stromkreises za erreichen.

ο flg. 8 stellt eine andere Aasführangsform der Erfindung dar

°> and zeigt einen Energierückführangskrels, der die Erwärmung der Schaltelemente im wesentlichen auf ein Minimum reduziert. Wie gezeigt, 1st ein Energierückführungekrele 43 vorgesehen,

30 and 35 der beiden Unterstromkreise fließt, welche einen Phasenstromkreis darstellen. Der Stromkreis 43 weist eine Wicklang 44 auf, die induktiv mit den Wicklungen 30 und 35 gekoppelt ist, eine Diode 45, deren Anode an ein Ende der Wicklang 44 and deren Kathode an den Leiter 32 angeschlossen ist. Ein Kondensator 46 ist zwischen Kathode der Diode 45 and das andere Ende der Wicklung 44 geschaltet. Der Kondensator 46 ist weiterhin zwischen die Leitungen 32 und 38 geschaltet. Es ist gesagt worden, daß Wicklungen 30 und 35 induktiv miteinander gekoppelt sind; die erforderliche Kopplung der Spulen oder Wicklungen 30, 35 and 44 wird leicht bewerkstelligt, indem alle drei Teile auf demselben magnetischen Kern (nicht gezeigt) aufgewickelt oder angeordnet werden.

Zu Beginn wird der Betrieb des Rückführungskreises 43 zu dem Zeitpunkt t₁ (siehe Fig. 3, 5 und 7) betrachtet. Nachdem der Strom in der Wicklang 30 (Fig. 8) sein Maximum erreicht hat and anfängt, abzunehmen, besteht die Neigung, daß die Energie über einen Weg, die die Diode 33 and den Schalter 29 einschließt, an den oberen Untastromkreis zurückgeführt wird. Der Abfall dieser beiden Halbleiter in Durchlaßrichtung 1st gering and liegt in der Größenordnung von 2 Volt. Demgemäß 1st das Windungsverhältnie zwischen den Wicklungen 30 und gewählt und die Diode 45 vorgesehen, so daß ein wirksames "Festklemmen¹¹ des Rückführkreises 43 bei einer Spannung (an

cn der Wicklung 30) auftritt, die geringer ist als die Gesamtes
spannung, die erforderlich ist, um die Leitfähigkeit der Teile

° 33 und 29 hervorzurufen. Durch ^Lrksames "Zurückklemmen" (clamping back) durch die Wicklung 30 bei einem Potential, das ge ringer 1st als der für die Leitfähigkeit in dem Unterstrom-

praktisch sofort aas der erneuten Umlaufbahn heraus. Die Energie in &r Induktionsspule 30 wird in dem magnetischen Feld der Wicklungen 30, 35 und 44 gespeichert. Wenn dieses magnetische Feld zusammenbricht, wird die Spannung an der Spule 30 auf der Festklemmgröße gehalten, und die in der Wicklung 44 induzierte Spannung verursacht einen Stromfluß durch die Diode 45 und eine Energiespeicherung im Kondensator 46. Infolge des ausgeschalteten Schalters fließt kein erneuter Umlaufstrom; denn Umschaltenergie wird nicht durch den erneuten Umlauf rückgeführt, sondern direkt von dem magnetischen Feld. Dieser schnelle Ausfall des Schalters 29 wird durch linie 68 in Fig. 9 angezeigt. Mit der abwechselnden Leitfähigkeit der Schalter 29 und 36 wird Energie abwechselnd von jeder der Wicklungen 30 und 35 durch die Wicklung 44 an die Diode 45 geführt. Wenn die Größe der über Wicklung 44 rückgekoppelten und in Kondensator 46 gespeicherten Energie die Größe der gleichgerichteten, an den Eingangsleitern der Anlage angelegten Spannung überschreitet, wird die gespeicherte Energie zurückgepumpt, um entweder die Quelle wieder aufzuladen oder bei der Erregung der Phasenstromkreise in der Wechselrichteranlage benutzt zu werden.

Es ist offensichtlich, daß gewisse praktische Überlegungen die Auslegung des Energierückführungskreises 43 beeinflussen. Wenn z. B. die Quellenspannung die Größenordnung von 110 Volt hat und der Sekundärteil des Rückführungskreises 43 bei ungefähr einem Volt klemmen muß, dann ist das Windungsverhältnis zwischen den Wicklungen 30 und 44 übermäßig groß. Zusätzlich muß die Diode 45 mit einem sehr hohen Spitzensperrspannungsverhältnis versehen werden, um während des Umschaltimpulses

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die angelegten Spannungen zu tragen, wenn der Kondensator sich durch die angeschlossenen Wicklungen entlädt. Obwohl Fig. 8 einen anderen möglichen Stromkreis zur Schaffang einer Energierüokführang von den Reaktanzen oder Uvsohaltwicklangen 30 and 35 zeigt,ist es wünschenswert, eine mehr praktische and weniger teure Energierückführungsanordnung zu schaffen. Solch eine Anordnung ist in Fig. 10 gezeigt, die die Phasenstromkreise 2OA, 2OB and 200 eines kompletten Dreiphasenwechselrichters darstellt.

Wie dort gezeigt ist, hat die Phase 2OA einen zusätzlichen Stromkreis 50, der mit dem Lastleiter 26 gekoppelt ist. Der Stromkreis 50 schließt einen Traneformator 51 ein, der eine Primärwicklung 52 hat, die zwischen die Abschnitte 26 und 26a des Leetleitere angeschlossen ist. Der Transformator 51 hat eine Sekundärwicklung 53» deren Mittelanzapfung mit Hasse verbanden ist. Beide Dioden 54 and 55 haben einen Anodenteil, der an ein Ende der Sekundärwicklung 53 angeschlossen ist, and die Kathoden der Dioden 54 and 55 sind mit dem Eingangsleiter 32 verbunden. Auf Wunsch kann anstelle der dargestellten Anordnung von Öleiohrichtern 54 and 55 eine Brückengleichrichterschaltung benatzt werden.

Is wird nooh einmal darauf hingewiesen, daß die Energierüok-

co führung von dem Reaktanzen enthaltenden ümschaltstromkreis

ο einschließlich der Wicklungen 30 und 35 bewirkt wird, wenn

°* dieser Stromkreis auf einer Spannung festgehalten wird, die Ct geringer 1st als die, welche für tine leitfähigkeit im Beoo reich des restlichen Unterstromkreisee erforderlich ist, der eine dieser Wicklungen enthält. In übe»instimmung ml-bftem ., erfindungsgemäßen Prinzip 1st das Windungsverhältnie des

Transformators 51 so ausgeführt, daß der an der Wicklung 52 (wobei Schalter 29 leitet) erscheinende Spannungsabfall größer als die Haltespannung der Wicklung 30 ist, der durch die an Wicklung 30 gekoppelten Energierückfuhrungs-Stromkreisteile geändert wird. Mit dieser Anordnung des Stromkreises 50 können die Windungsverhältnisse des magnetischen Kopplungsstromkrises, der die Wicklungen 30 und 35 in Phase 2OA und die Wicklungen 44 und 47 des BnergierückfÜhrnngekreises 43 einschließt (wobei alle dieser Wicklungen magnetisch gekoppelt sind, indem sie z.B. auf demselben Kern aufgewickelt oder angeordnet sind), so ausgelegt werden, daß die Spannung, bei der Wicklungen 30 und 35 klemmen, etwas geringer als die Spannung ist, bei der Klemmen über der Wicklung 52 bewirkt werden würde. Es ist selbstverständlich, daß die Stromkreise so ausgelegt werden können, daß sie unter verschiedenen Klemmhöhen arbeiten, die von der Höhe der Eingangsqannung and anderen Entwurfsgesichtspunkten abhängen. Daher können die umgekehrten Spitzenspannungsverhältnisse der Dioden, wie z.B. 45 und 48, in dem Energierückführungskreis reduziert werden, um weitere Ersparnisse zu bewirken, und die Rückführung der aufgespeicherten Energie von den Wicklungen 30 und 35 an die Quelle oder den Eingangsstromkreis an in einem kürzeren Zeitraum bewerkstelligt werden.

co Mit einem Rückführungekreis, wie er in Pig. 8 gezeigt ist,

ο wird eine Hochspannung über Wicklung 44 an die Diode 45 ge-

legt, wenn die Umschaltimpulse in dem dargestellten Stromkreis auftreten. Um diese großen entgegengerichteten Spannun- I

oo gen zu sperren, muß ein Gleichrichter mit einem sehr hoh-en _Q

Sperrspannungsverhältnis benutzt werden. Zwischen das Ende Jr

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Reihe geschaltet sein, am die an jede Blöde gelegte Spitzenspannung zu reduzieren; aber diese Anordnung vergrößert die Schwierigkeit, eine gleiche Spannungsverteilung über jeder der Blöden zu erzielen. Es hat sich daher herausgestellt, daß es vorzuziehen 1st, einen Energierückführungskreis 43 zu benutzen, wie er in Pig. 10 dargestellt wird. Wicklungen 44 und 47 sind magnetisch mit Wicklungen 30 und 35 im Phasenstromkreis 2OA gekoppelt, indem sie auf einem gemeinsamen Kern (nicht gezeigt) aufgewickelt sind. BIe Kondensatoren 46 und 49 sind mit den anderen vier Kondensatoren 146, 149, 246 und 249 in Reihe geschaltet, und diese gesamte Kondensatorenreihe 1st mit den Leitern 32 und 38 verbunden. Biese Anordnung sorgt für eine gleiche Verteilung der rückgeführten Energie über die Sekundärabschnitte der Energierückführungskreise, und sie verringert die Spitzensperrspannung, die jede Biode während der Bauer des Umschaltimpulses aushalten muß.

Ba bei dem in flg. 10 gezeigten Stromkreis die "Klemm^w-Spannung an der Wicklung 52 größer ist als die an beiden Wicklungen 30 und 35, "klemmt" der Stromkreis 50 beim normalen Betrieb nie, weil der Rückführkreis 43 einschließlich der Wicklungen 30 und 35 zuerst "klemmt", um die Umschaltenergie an die Eingangsleiter 32 und 38 zurückzuführen. Bei einer gegenwirkenden Belastung jedoch kann eine derartige Neigung zur Aufrechterhaltung des Stromflusses bestehen, daß die "Klemm"-Spannung an Wicklung 52 erreicht und einige Energie durch diesen Stromkreis über die Blöden 54 und 55 an den Eingangestromkreis aurückgfführt wird. Ein ähnlicher Vorgang kann natürlich auch Ib jedem 4er anderen Phasenatromkreis 2OB und 2OC auftreten. Selbst wenn jtdooh die "Klearn"-Spannung an

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Wicklung 52 erreicht wird, so hat eine der beiden Wicklungen 30 und 35 offenbar auch die ^llKlemm^tl-Spannung erreicht, um durch den Stromkreis 43 Energie zurückzuführen und das sofortige Unwirksamwerden des Schalters 29 oder 36 zu bewirken, so daß kein erneuter Umlaufstrom durch den Unterstromkreis für eine Vernichtung in dem gesteuerten Silizium-Gleichrichter und seiner angeschlossenen Diode (33 oder 37) gezwungen wird.

Um den Fachleuten bei der Herstellung und Verwendung der Erfindung zu helfen, zeigt Fig. 10 auch die Zwischenkopplung der Phasenstromkreise 2OB und 2OC mit dem Eingangsstromkreis einschließlich der leiter 32 und 38 und der Anschlüsse 21 und 22. Da die Elemente der zweiten und ddtten Phase in Form und Zwischenkopplung denen der Phase 2OA entsprechen, brauchen ihr Aufbau und ihre Anordnung nicht beschrieben zu werden. Um die Elemente mit den Elementen des ersten Phasenstromkreises vergleichen zu können, haben entsprechende Elemente dieselbe Zehner- und Einerziffer, die Hunderterziffer jedes Teils in Phasenstromkreis 2OB ist eins, die in Phase 20C zwei. Zum Beispiel sind die Wicklung 235 und der Halbleiterschalter 236 In Phase 2OC mit der Wicklung 35 und dem Schalter 36 in Phase 2. , und mit der Wicklung 135 und dem Schalter 136 in Phase 2OB identisch. Es ist daher ersichtlich, daß in dem Energierückführungskreis 43 die Wicklungen 144 und 147 in demselben Stromkreis mit den Wicklungen 130 und 135 in Phase 2OB magnetisch gekoppelt sind. Demgemäß wird beim Betrieb des Dreiphasenftronkreises dl· über die einzelnen Abschnitte des Rückführkreises rückgeführte Energie in der Reihe der Kondensatoren 46, 49, 146, 149» 246, 249 gespeichert. Die gespeicherte Energie wird, anstatt daß sie bei der Erhitzung der Schal- ..*»

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tangs- und Schutzelemente vergeudet wird, für eine Wiederverwendung in dem Wechselrichter an die Eingangsleiter zurückgeführt.

Zusätzlich zu der an den Anschlüssen 21 und 22 angelegten erforderlichen gleichgerichteten Betriebsspannungen müssen geeignete Rechtecketeuerspannungen nacheinander an die betreffenden Steuerelektroden der Halbleiterschalter gelegt werden, die mit 29g» 36g, 129g, 136g, 229g, 236g gekennzeichnet sind, um einen Betrieb dieser Schalter nacheinander aas den "Ein-" and "Aus"-Stellungen za beginnen, wobei dieser Betrieb durch die mit einer Reaktanz versehenen Umschaltvorrichtung unterstützt wird. Diese Steuerspannungen können von wohlbekannten Torrichtungen hergeleitet werden, so z.B. einem Impulsgenerator and einer logischen Schaltang, wie sie in der USA-Patentschrift 3091 729 beschrieben ist. Sine Stufe der logischen Schaltung ist in der Patentschrift eingehender dargestellt, und die gezeigten sechs einzelnen Leiter, die den logisahen Stromkreis mit den betreffenden Schaltetufen verbinden, entsprechen den Leitern, die an die betreffenden Steuerelektroden 29g - 236g des Drelphasenstromkreises in 7Ig. 10 dieser Anmeldung angeschlossen wurden. Ba in Fig. 10 eine Brückenwechselrichteranlage verwandt wird, ist ein Leistungstransformator mit dreiphasigem Eingang (wie to er In der Patentschrift gezeigt ist) nicht erforderlich, statt« ° dessen sind die betreffenden Lastleiter 26, 126, 226 direkt ^ mit der Last verbanden.

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oo Wenn die Rechteckschaltspannangen an die Steuerelektroden der Ö

ο gesteaerten Halbleitergleichrichter in flg. 10 gelegt werden, findet ihr Betrieb in einen andren Zustsnd in der Reihenfolge

statt, die durch die entsprechenden Wellenformen in Pig. 11 dargestellt ist. Um de« Fachmann veiter zu helfen, deuten die Pig. 12A - 12C die Ausgangsspannungswellenformen an, die zwischen den Lastleitern erscheinen. Zum Beispiel beschreibt fig. 12A die Ausgangsspannüngswellenform, die zwischen Leitern 26 und 126 auftritt; Pig. 12B zeigt die Wellenform der Ausgangsspannung zwischen den Leitern 126 und 226; und Pig. 12C stellt die Spannungswellenform das? die*mit-geeigneten Anzeigegeräten zwischen den Leitern 226 und 26 festgestellt werden kann.

Um den !Fachmann bei der Herstellung und Verwendung einer bevorzugten Ausfflhrungsform dieser Erfindung zu unterstützen, werden nachfolgend typische Stromkreiswerte für die in Jig. 10 dargestellte Ausführungsform gegeben. Ss mufl jedoch bemerkt werden, daß diese typischen Werte nur zum Zwecke der Erläuterung gegeben werden und keinesfalls eine Begrenzung darstellen. Im allgemeinen wurden Lagerteile benutzt, und die Stromkreisanordnung kann physikalisch kleiner und wirtschaftlicher ausgeführt werden, wenn speziell klassifizierte und entworfene feile verwandt werden.

figur 10 - Phasenstromkreis 2OA

gesteuerte Sillzium-Sleichrichter 29 und 36 WI809H

Dioden 33 und 37 11Ί401

Dioden 54 und 55 · 113212

Dioden 45 und 48 111401

Kondensatoren 31 und 34 _vM 120/Bid,375

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~²⁵" U88120

Kondensatoren 46 and 49 7/θΜ (elektrolytisch)

Magnetischer Stromkreis, Primärwicklungen (30 and 35) einschließlich der Wick- 12 Windungen, #6 quadratisch, langen 30, 35, 44 and 47 doppeladrig; Sekundärwicklungen

(44 and 47) 20 Windungen, #6 quadratisch, einadrig

Magnetischer Stromkreis Kern, EI 1 3/4 quadratischer einschließlich des Trans- Kern; Primärseite, 14 Yindunformators 51 gen, ΦΙ 7 quadratisch Sekundär

seite, 56 Windungen, #10, quadratisch

GIeichatrOMBpannung an den 120 Volt Anschlüssen 21, 22

Obwohl nor besondere Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, sind zahlreiche Änderungen möglich, ohne sich tob Bereich der Erfindung zu entfernen.

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Claims (2)

PATENT DH. ING. H. NEGENDAJVK ■ DIPIm-ING. H. HAUCK · DIPL.-PHY8. W. SCHMITZ HAMBUHG-MÜNCHEN ZUSTELLUNGSANSCHRIFT; HAMBURG 36 · NEUER WALL· 41 TEL. 3β 74 28 UND 36 41 15 P 14 88 120*0 TBLKGH. NKGBDAPATKNT HAMBURG r,:.r„:r-MOziHi9TR-ss TELEGR. NEGEDAFATBNT MÜNCHEN Hamburg, 17. April 1968 Patentansprüche

1. Ruhender Wechselrichter mit paarweise in Reihe geschalteten Halbleiterventilen and Schaltdrosseln, wobei zwischen dem die Wechselstromausgangsleitung bildenden Verbindungspunkt der Schaltdrossel und den die Gleichspannungseingangsleitungen bildenden Enden der Halbleiterventile jeweils ein Kondensator und eine !Diode als Rückschluß für das jeweils gezündete Ventil und die zugehörige Schaltdrossel parallelgeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen mindestens einer GleichspannungseingangsMtung (32, 38) und der Wechselstromausgangsleitung (26) eine Schaltangsanordnung t^ (43, 60) angekoppelt ist, deren Übertagungsspannung derart

cn ausgelegt ist, daß die in der jeweiligen Schaltdrossel (30, ο

35) gespeicherte Energie mindestens teilweise über die Schallt tungsanordnung in das Gleichspannungsnetz zurückfließt.

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2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Phase je arei Unterstromkreise aufweist, von denen jeder gesteuerte Halbleiterventile (z.B. 29) and mit einer Reaktanz

Neue Unt^n

versehene Hilfsmittel (z.B. 30) aufweist, die alt den Halbleiterventilen in Reihe geschaltet sind, and daß die Energierückführungsschaltung (60; 43) Xransformatoren (61; 30, 55t 44) aufweist, die Bindestens eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung haben, von denen die Primärwicklungen in jeden der Untrstromkreise geschaltet sind and die Sekundärwicklung alt Gleichrichtarn (64, 65 oder 45) verbunden ist, die andererseits nit de« Singangestromkreis in Verbindung stehen.

3· Wechselrichter nach Ansprach 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung (62) des Transformators (61) mit dem Aasgangsstromkreis (26) and die Sekundärwicklung (63) über ein Paar Gleichrichter (64, 65) mit dem Eingangsstromkreis (21, 22) verbunden 1st«

4· Wechselrichter nach Ansprach 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dafi die Primärwicklung des Transformators, die Hilfsmittel (30, 35) und die Iransformator-Sekandärwlcklang (44) magnetisch gekoppelt sind, and daß Gleichrichter (45) and Energiespeicher (46) mit der Sekundärwicklung (44) und dem EingangsStromkreis (21, 22 verbunden sind.

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