DE1513736A1 - Statische Wechselrichteranlage - Google Patents

Description

Unterlagen für die Of lej-legungsschrift

DR. ing. H. NEGENDANK · dipl-ing. H. HAUCK · »ipi^-phys. W. SCHMlT2r

HAMBURG-MÜNCHEN

; HAMBURG 86 · NEUER WAiLI. 41

TBl.. »β 74 8β TTJVD «β 41 10 TKLBOB. NBOBDAPATBMT HAMBUBO

p nc j."* 736 7 MÜNCHEN 15 · MOZARTSTR. 23

TBL.038058«

Borg-Warner Corporation ^T"^MF· nkgbdapatbntmüxchbn

HAMBURG, 21.1.1969

Statische Wechselrichteranlage

Die Erfindung betrifft eine statische Wechselrichteranlage und insbesondere eine derartige Anlage, die Halbleiterschalter und damit verbundene Eeaktenzen benutzt, um den laststrom von dem einen zum anderen der Haltleiterschalter umzuschalten oder zu übertragen, wobei neuartige und nicht naheliegende Mittel verwandt werden, um die Umschaltenergie unter minimaler Erwärmung der Halbleiterschaltteile wiederzugewinnen.

Da die elektrische Schaltleistung der Halbleiterschalter, wie z.B. gesteuerter Siliziumgleichrichter, vergrößert worden ist, sind dtrartige Teile mehr und mehr dazu verwandt worden, Wechselatromenergie für den Antrieb von Lasten, wie z.B. Wechselstrommotoren, zu liefern. Be ist offenbar wünschenswert, von den Halbleiterschaltern eine maximale Bnergieabgabe an die last zu^rhalten, um die größtmögliche Last oder eine gegebene Last mit einem Halbleiterteil, da» minimale Abmessungen hat und minimal· Kosten verursacht, *u versorgen. Der Durchfluß

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des Iaststroms und das abwechselnde Leiten^und Nichtleiten eines jeden ^albleiterschalters verursacht eine Erwärmung des gesteuerten Siliziumgleichrichters, die, wenn sie nicht für den einzelnen gesteuerten Siliziumgleichrichter unter einem gegebenen Wert gehalten wird, ader diesen Wert wenigstens nicht für mehr als einen sehr kurzen Zeitraum übersteigt, den Schalter für immer beschädigen kann.

Es ist allgemein üblich, während des Umschaltzeiträume aus einer Hilfsquelle, wie z.B. einem Kondensator, Umschaltenergie abzugeben. Es kann angenommen werden, daß diese Umschaltenergie einen Lastteil (unter Lastbedingungen) und einen Anteil enthält, der die Schaltreaktanz oder die induktive Wicklung erregt, die mit einem ersten Halbleiterschalter in Beine gekoppelt ist, um eine Sperrspannung für einen zweiten Halbleiterschalter zu schaffen, ^ieser letztere Teil der Schaltenergie, der in der Induktinnswicklung "abgeladen" wird, wird nachfolgend zur Erleichterung der Erklärung seinerseits als die Umschaltenergie bezeichnet. Der °eitraum der Energieabgabe beginnt, wenn der erste geeteuerte Halbleitergleichrichter eingeschaltet wird; die Wicklung wird sowohl elektrisch wie auch magnetisch an eine zweite ähnliche Wicklung gekoppelt, um einen Umschaltdrosselaufbau zu schaffen. Sie zweite Wicklung ist ihrerseits mit dem zweiten gesteuerten Siliziumgleichrichter in Reihe gekoppelt. Sie Überführung der Spannung

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zwischen den Induktionswicklungen des Drοsselaufbaus während des "Abladens" der Umechaltenergie in die erste Induktionswicklung wird beim Abschalten des zweiten gesteuerten Öiliziumgleichrichters benutzt. Weil dieser zweite gesteuerte Siliciumgleichrichter durch diese Umschaltwirkung abgeschaltet wird, besteht zu dieser ^eit kein leitend gekoppelter Weg für den Stromfluß durch den zweiten gesteuerten Siliziumgleichrichter oder die zweite Wicklung. Daher wird während und nach dem Umschaltzeitraum die Umschaltenergie nach und nach von der ersten Wicklung freigegeben und wieder durch einen Stromkreis geschickt, der den ersten gesteuerten Siliziumgleichrichter und die erste Wicklung einschließt und eine Erwärmung des ersten Halbleiterschalters hervorruft, die wesentlich größer ist als die von dem Laststrom erzeugte Wärme. Es ist daher ersichtlich, daß, wenn die Wärmehöhe- und -menge, die bei der Rückführung der Umechaltenergie durch den gesteuerten Siliziumgleichrichter auftritt, auf ein Minimum gebracht werden kann, mehr von der thermischen und der Schaltleistung anhaftenden Wechselrichterbeanspruchung dazu verwandt werden kann, den Belastungserfordernissen zu dienen, wodurch die Leistung des Wechselrichters erhöht wird.

Es ist demgemäß Hauptaufgabe der Erfindung, einen Wechselrichter mit beträchtlich erhöhter Leistung zu schaffen, indem die Wirkung der Bückführung der Umschaltenergie auf die Halbleiterschalter nach dem Abschalten des eingeschalteten Schalters auf ein Minimum reduziert wird.

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Bei der Erfindung wird dies allgemein dadurch erreicht, daß Teile des Stromkreises, die sonst während des Umschaltzeitraums ruhen, für die Rückführung der Umschaltenergie an den Eingangsstromkreis benutzt werden.

Im einzelnen wird bei einer statischen Wechselrichteranlage mit Halbleiterschaltern und einer Umschaltdrosselanordnung mit zwei Wicklungen, die in Reihe an die halbleiterschalter gekoppelt sind, die ihrerseits an einen Eingangsstromkreis angeschlossen sind, während ein Ausgangsstromkreis an den gemeinsamen Punkt zwischen den Wicklungen gekoppelt ist, und mit Kondensatoren, von denen je einer mit einer Diode zwischen den Eingangs- und Ausgangsstromkreisen angeschlossen ist, wobei die Dioden einen Strompfad für den Strom von den Halbleiterschaltern bilden, die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Energierückführungsstromkreis zwischen wenigstens eine Eingangsleitung und die Umschalt-Drοsselwicklungen angeschlossen ist, in dem Mittel vorgesehen sind, die einen zusätzlichen Leitpfad vervollständigen und die eine Wicklung der Umschaltdrosselanordnung mit einer zweiten induktiven Reaktanz koppelt, wenn die in der Umschalt-Drosselanordnung aufgespeicherte Energie den maximalen Wert erreicht und sich zu verringern beginnt, und in den Stromkreis Mittel eingebaut sind, die an die zweite induktive Reaktanz angeschlossen sind und die in den Umschaltdrosselwicklungen aufgespeicherte Energie an den Eingänge st rom·* kreis, zurückführen.

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Die Erfindung ist von besonderem Vorteil in einer Wechselrichteranlage, in der ein Halbleiterschalterpaar zwischen die betreffenden angeschlossenen Wicklungen einer Umschaltdrosselanordnung gekoppelt ist, wobei diese Wicklungen sowohl elektrisch wie auch magnetisch miteinander gekoppelt sind. Wanrend einer der Halbleiter eingeschaltet wird, wird Umschaltenergie schnell in seine angeschlossene Umschaltwicklung abgegeben. Bei der Erfindung wird bei dem Beginn der Rückführung der Umschaltenergie ein Hilfsstromkreis vervollständigt, so daß die andere Wicklung der Umschaltdrossel, nämlich die Wicklung, die an den gerade abgeschalteten Schalter angeschlossen ist, den zu der Rückführung der Umschaltenergie beitragenden Stromfluß teilt. Wie ersichtlich, wird mit Einsehliessung der anderen Wicklung in die Hilfsbahn die Höhe des durch die Rückführung der Umschaltenergie durch den gerade eingeschalteten Schalter fließenden Stroms wesentlich reduziert.

In der folgenden Beschreibung und der Zeichnung sind Ausführungabeispiele der Erfindung erläutert und dargestellt. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Schaltschema einer bekannten Schaltung einer Wechselrichteranlage;

Fig. 2 und 3 graphische Darstellungen des über der ^eit auf-

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getragenen Stroms, die beim Verständnis der Arbeitsweise bekannter Wechselrichter helfen sollen;

Fig. 4 ein Teilschema, das eine Form der Erfindung mit Anschluß in einen Wechselrichterstromlcreis wiedergibt;

Fig. 5 eine graphische Darstellung des über der Zeit aufgetragenen Stroms, die beim Verständnis der Betriebsweise der in Fig. 4 gezeigten Ausführungaform von Nutzen ist;

Fig. 6 eine andere Ausführungsform der Erfindung, die sich auf die von Fig. 4 bezieht;

Fig. 7 ein Schaltschema einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 8 eine der Fig. 7 gleichwertige Schaltung, die beim Verständnis der Arbeitsweise des in Fig. 7 gezeigten Stromkreises hilft; und

Fig. 9-11 schematische Schaltbilder von anderen Ausführuru-sformen der Erfindung.

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- 7 Allgemeine Arbeitsweise des Wechselrichters

Der in Fig. 1 gezeigte Stromkreis kann eine Phase eines Drei-hasenwechselrichters oder aber ein einphasiger Wechselrichter sein. Jede geeignete Batterie oder andere Gleichstromquelle kann Gleichstromenergie über einen Eingangsstromkreis leiten der Leiter 20 und 21 enthält. Das abwechslnde Leiten von Halbleiterschaltern 22 und 23 erzeugt Wechselstromenergie an einem Ausgangsstromkreis, der einen an irgendeine Last (nicht gezeigt) führenden Leiter 24 einschließt. Jeder der Halbleiterschalter ist als gesteuerter diliziumgleichrichter dargestellt, mit a als Anode, c als Kathode und g als Gitter oder Eingangsteil. Entweder die betreffenden Gitter 22g und 23g oder an diese Gitter gelegte Leiter 25 bzw. 26 können als Mittel ζ .m Einleiten des Betriebs dieser Halbleiterschalter zwischen ihren nicht leitenden und leitenden Zuständen betrachtet werden. Diese Arbeitsweise ist bekannt, so daß der zugehörige logische oder Steuerstromkreis hier nicht weiter beschrieben zu werden braucht. Der gezeigte Wechselrichter weist zwei getrennte Kommutierungswicklungen oder Kommutierungsreaktanzen 27 und 28 auf. Diese Wicklungen sind zwischen die Kathode 22c des gesteuerten Siliziumgleichrichters 22 in dem oberen Unterstromkreis des Wechselrichters und die Anode 23a des gesteuerten Siliziumgleichrichters 23 in dem unteren unterStromkreis des Wechselrichters in Reihe leitend gekoppelt.

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Die Bezeichnung "Leitkopplung" oder "Leitpfad" zwischen einem Punktpaar *■ und B, wie sie hier in den Ansprüchen benutzt wird, bezeichnet einen Pfad zwischen den Punkten A und B, der in Abhängigkeit von dem Anlegen einer Gleichetrompotentialdifferenz zwischen diesem Punktpaar Gleichstrom führen könnte. Ein gemeinsamer Kern 30 ist vorgesehen, um die Wicklungen 27 und 28 magnetisch miteinander zu koppeln. Andere herkömmliche Bestandteile schließen einen ersten Kommutierungskondensator 31» der zwischen den Leiter 20 und die gemeinsame Verbindung der Wicklungen 27 und 28 gekoppelt ist, und einen zweiten KommutierungskondenBator 32 ein, der zwischen den Leiter 21 und dieselbe gemeinsame Verbindung gekoppelt ist. Es wird betont, daß diese Kommutierungs-Kondensatoren nicht die in den Ansprüchen aufgeführten "Kommutierungsreaktanzen" sind, da diese Kondensatoren nur eine Spei ehe ranl'age oder Energiequelle sind,die beim Zünden eines der Halbleiterschalter schnell Energie an die Last und in die angeschlossene Wicklung (27 oder 28) abführt.'Für die Abgabe dieser Energie können auch andere Mittel, z.B. geeignetes und wahlweises Zwischenkoppeln einer Hilfsenergiequelle mit geeigneter Polarität, verwandt werden, aber soweit Kondensatoren in herkömmlicher Weise verwandt sind, werden sie in ihrer herkömmlichen Anordnung gezeigt und beschrieben. Andere herkömmliche Teile schliessen die "Überström-" oder Energierückführdioden 33 und 34· ein. Die Diode 33 ist zwischen den Leiter 20 und den gemeinsamen '

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Anschluß der Wicklungen 38 und 40 gekoppelt, die Diode 34 ist zwischen den Leiter 21 und denselben Anschluß gekoppelt. Da die über den Ausgangsleiter 24 angelegte Last häufig eine . induktive Reaktanz, z.B. ein Motor, ist, hat die Last die Neigung, den Laststromfluß für einen kurzen Zeitraum in derselben Richtung aufrechtzuerhalten, nachdem der eine oder der andere der ^ualbleiter3chalter ausgeschaltet worden ist. Demgemäß bilden die Oberströmdioden 33 und 34 einen Hilfspfad für einen derartigen kurzen Stroafluß nach dem Abschalten des einen und Einschalten des anderen ^albleiterschalters.

In Fig. 1 wird eine Energierückführungsanordnung 35 gezeigt, die auf dem Gebiet der statischen Wechselrichter einen bedeutsamen Portschritt darstellt. Wie gezeigt ist, weist der Stromkreis einen Transformator 36 auf, der einen J^ern 37 und eine Primärwicklung 38 hat, deren eines Ende an den gemeinsamen Anschluß der Dioden 33, 34 gelegt ist. Der Transformator 36 hat eine Sekundärwicklung 40, deren eines Ende zwischen den gemeinsamen Anschluß der Dioden 33» 34 und deren anderes Ende an den gemeinsamen Anschluß zwischen den Energierückführungsdioden 41 und 42 gelegt ist, die ihrerseits an die betreffenden Leiter 20 und 21 angeschlossen sind. In der Praxis ist der Transformator 36 vorzugsweise ein Autotransformator, wie es auch dargestellt ist, um maximale Wirtschaftlichkeit und minimale physikalische Abmessungen zu erhalten, obwohl auch andere ^ransformatorenanordnungen arbeiten würden.

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Unter der anfänglichen Annahme, daß der btromkreis 35 nicht in der Wechaelrichteranordnung liegt und daß daher zwischen dem gemeinsamen Anschluß der Kondensatoren 31 und 32 und dem gemeinsamen Anschluß der Dioden 33 und 34 ein Kurzschlußoder Gleichstrompfad mit dem V/iderstand Null geschaffen wird, wurde die Arbeitsweise des Wechselrichters mit einer anfänglich eingeschalteten oder leitenden Stellung des gesteuerten Siliziumgleichrichters 22 betrachtet. Zu diesem Zeitpunkt fließt ütrom von dem Leiter 20 durch den gesteuerten Siliziumgleichrichter 22, die Wicklung 27 der Kommutierungsdrossel und über den Leiter 24 an die Last. Unter diesen Bedingungen besteht über dem Kondensator 31 buchstäblich ein Kurzschluß und er sammelt keine Ladung. Jedoch wird zu diesem Zeitpunkt im wesentlichen die gesamte Batterie- oder Eingangsgleichspannung, die zwischen den Leitungen 20 und 21 liegt, zwischen die Leiter 24 und 21 gelegt. Folglichi/ird der Kondensator 32 etwa auf die Spannung aufgeladen, die zwischen den Leitern 20 und 21 erscheint.

Nun sei angenommen, daß ein geeigneter Steuer- oder Gitterimpuls über den Leiter 26 an das Gitter 23g des gesteuerten Siliziumgleichrichters 23 gelegt wird. Dementsprechend wird der gesteuerte Siliziumgleichrichter 23 unmittelbar leitend gemacht und schafft einen leitenden ^fad für den otromrückfluß von der Lagt zurück über den Leiter 24, Wicklung 28 und

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gesteuerten Siliziumgleichrichter 23 an den Leiter 21. Dadurch beginnt der Kondensator 32 sofort, sich über Wicklung 2ά und gesteuerten Siliziumgleichrichter 23 zu entladen. Im ersten Augenblick ist der in der Wicklung 28 fließende Strom gleich dem Strom, der in der Wicklung 27 gerade vor der Umschaltung floß und der magnetisch auf die Wicklung 28 übertragen wurde. Dieser anfängliche Strom in den Umschaltreaktanzen 28 wird durch die Entladung des Kondensators 32 wesentlich verstärkt, während die Umschaltenergie an die Wicklung 28 abgegeben wird, um einen schnell ansteigenden ütrom zu schaffen, wie zwischen den Zeiten 10 und ti in ^¹Ig. 2 angedeutet ist. Aufgrund der magnetischen Kopplung der Wicklungen 28 und 27 wird die an der Wicklung 28 anliegende Spannung ungefähr verdoppelt, um an der Kathode 22c eine Spannung mit geeigneter Amplitude und Polarität zu schaffen, die den gesteuerten Siliziumgleichrichter 22 abschaltet und für einen Zeitraum abgeschaltet hält, der langer ist, als er für diesen gesteuerten Siliziumgleichrichter erforderlich ist, um sich zu erholen oder in die Sperrstellung zurückzukehren. Es ist ersichtlich, daß diese herkömmliche Verwendung der Wicklungen 27 und 28 für die Umschaltung nach der Übertragung des Stroms von der Wicklung 27 auf die Wicklung 28, wenn der gesteuerte Siliziumgleichrichter 22 abgeschaltet ist, während des UmschaltZeitraums keinen Stromfluö durch die Wicklung 27 erzeugt, sondern daß Strom nur durch den leitenden Kopplungs-

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pfad einschließlich der Wicklung 28 des Drosselaufbaus bis zu den Leiter 21 fließt.

Mit Bezugnahme wieder auf Fig. 2 ist bei der Zeit Tl alle Umwandlungsenergie von dem Kondensator 32 (oder einer anderen geeigneten Quelle) in der Spule 28 aufgespeichert, und die Höhe des Stromflusses durch diese Spule ist gerade im Abnehmen begriffen. Bei den meisten früheren Wechselrichteranlagen wurde die Umschaltenergie durch fortwährendes Umlaufen auf einem -Pfad vernichtet, der die Wicklung 28, gesteuerten Siliziumgleichrichter 23 und die Überströmdiode 34 einschließt. Die hauptsächliche Vernichtung trat in Form einer Erwärmung der Halbleiterteile 23 und 34 auf. Infolge der Tatsache, daß es eine Begrenzung der thermischen Belastung des gesteuerten Siliziumgleichrichters 23 gibt und daß ein wesentlicher Teil dieser Belastung von der durch die Rückführung der Umschaltenergie entstehenden Hitze anstatt von der allein aufgrund des LastStroms entstehenden Hitze geliefert wird, ist die herkömmliche Rückführung der Umschaltenergie verschwenderisch, besitzt einen schlechten Wirkungsgrad und zieht höhere Kosten und größere physikalische Abmessungen pro Kilovoltampere des Wechselrichters nach sich. Die durch die Rückführung der Umschaltenergie durch Umlauf durch die Halbleiterteile entstehende Erhitzung ist in Pig. 2 durch die kreuzweise schlaffierte Fläche zwischen den Zeiten ti und t2 angedeutet. In dem Ausmaß, in dem die kreuzweise gestrichelte Fläche redu-

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ziert werden kann, wird die durch die herkömmliche Rückführung der Umschaltenergie hervorgerufene Erhitzung der Halbleiter reduziert, was einen entsprechenden Anstieg in der Belastbarkeit des Wechselrichters schafft.

Eine bedeutsame Verbesserung in der Hitzeverringerung während der Rückführung der Umschaltenergie wird durch den Stromkreis 35 gewährleistet. Während die Primärwicklung 38 in die Bahn für die Rückführung der Umschaltenergie eingefügt ist, ist der Transformator 36 so ausgelegt, daß während der Rückführung Energie über diesen Transformator und über Dioden 34, 41 oder 33» 42 an den Eingangsstromkreis rückgeleitet wird und die für diese Snergierückführung erforderliche Zeitspanne wesentlich verkürzt wird. Durch diese Energierückführungsanordnung wird nicht nur die dafür erforderliche Zeit, sondern auch die Größe der Erhitzung der Halbleiterteile 23 und 34 (und 22 und 33, wenn der gesteuerte S^llziumgleichrichter 22 eingeschaltet ist) bedeutsam reduziert, was durch die kreuzweise schraffierte Fläche zwischen den Zeiten ti und t3 in *ig. 3 dargestellt ist. Dennoch fließt ein hoher ütrom durch die Wicklung 28 zur Zeit ti und unmittelbar danach immer noch, und es gibt also noch genügend Spielraum far eine weitere Verbesserung der Ene rgi er c icf üb.rungsanlage .

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9 O d B -ji i fj ο ι, -

Die Erfindung: Aufbau

Bei der Erfindung wird ein neuartiger Energierückführungsstromkreis geschaffen, um eine zusätzliche Bahn für den Stromfluß durch die Wicklung 28 während der Zeit zu schaffen, in der die Umschaltenergie von dieser Wicklung rückgeführt wird. In diesem Hilfsweg ist eine zusätzliche Induktivität oder Wicklung in Reihe an die Windungen der Wicklung 28 geschaltet, und diese zusätzliche Induktivität ist magnetisch mit der Wicklung 28 gekoppelt. Die in dem zusätzlichen Weg vorgesehene zusätzliche Induktivität kann den anderen Wicklungsteil 27 des Umschaltwicklungsaufbaus 27, 28, insofern einschliessen, als daß diese Wicklungen magnetisch über einen Kern 30 gekoppelt sind. In herkömmlichen Wechselrichteranordnunß'en führt die Wicklung 27 nach dem Abschalter: des gescheuerten Siliziumgleichrichters 22 während des Umschaltzeitraums keinen Strom, sondern empfängt nur in der zuvor beschriebenen Weise die induzierte Spannung von der Wicklung 28, um das Abschalten des gesteuerten Siliziumgleichrichters 22 zu unterstützen. Es ist ersichtlich, daß der Energierückführungsstromkreis auch an den Eingangsatromkreis 20, 21 gekoppelt ist, um die Umschalter:ergie von der Wicklung 28 mit e_n&r minimalen Rück- führu*.3 aber den Leitpfad einschließlich des gesteuerten Silizi mg eichrichters 23 und der Diode 34 an den Eing-.r.gsstromkreis rückzuführen.

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Diese periodische oder zyklische Rückführung der Umschaltenergie (zuerst von einer Wicklung des Drosselaufbaus, dann von der anderen, usw.) durch den Hilfsweg wird in Verbindung mit Fig. 4 beschrieben werden, die in dem Energierückführungsstromkreis 4-6 einen '± ransf ormator 47 mit einer Primärwicklung 48 und einer mittig angezapften Sekundärwicklung 49, eine erste Diode oder einseitig wirkende Stromführungsmittel 50 und ein anderes Diodenpaar 51 und 52 zeigt. Ein Zusatzstrompfad für die Rückführung der Umschaltenergie verläuft von der Wicklung 28 über den gesteuerten Siliziumgleichrichter 23» Leiter 21, Diode 50, Primärwicklung 48 des Transformators und über die Wicklung 27 zurück an die Wicklung 28. Der in der Mitte abgegriffene Anschluß der Sekundärwicklung ist an den Eingangsleiter 21 gekoppelt, und die -^nden der Sekundärwicklung 49 sind über die Dioden 51 und 52 an den anderen Eingangsleiter 20 gekoppelt.

Die Erfindung» Arbeitsweise

Die in dem Magnetkreis einschließlich der Wicklung 23 bei der Rückführung der Umschaltenergie unmittelbar vor der Umkehrung der Polarität an dieser Wicklung gespeicherte Energie steht in Beziehung zu K0I, wobei N die Anzahl der Windungen der Wicklung 28, 0 die maximale Flußhöhe, die erzeugt wird, wenn die gesamte Umechaltenergie in die Wicklung 28 gegeben

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wird, und I den Spitzenstrom bezeichnet, der zu diesem Zeitpunkt durcbMe Wicklung 28 fließt. Die Wicklungen 27 und 28 aind magnetisch gekoppelt, so daß diese Energie tatsächlich in dem Drosselaufbau 27, 28 gespeichert wird, obwohl Strom nur durch die Wicklung 28 fließt. Nachdem die Spannung an der Wicklung 28 sich umkehrt und sobald die Rückführung der Umschaltenergie beginnt (Zeit ti in Fig. 5)» beginnt der Stromfluß von der Wicklung 28 über den gesteuerten Siliziumgleichrichter 23, über den Hilfspfad mit Diode 50, Wicklung 48, über die andere Wicklung 27 der Umschaltdrossel zurück an die Wicklung 28. Somit ist tatsächlich die Anzahl der Windungen verdoppelt worden, da die Windungen der Wicklung 27 in Reihe mit den Windungen der Wicklung 28 geschaltet sind, während die Größe des Flusses 0 konstant geblieben ist. Da die aufgespeicherte Energie gerade vor der Polaritätsumkehrung und gerade nach dieser dieselbe sein muß, verringert sich der durch die Wicklung 28 und den gesteuerten Siliziumgleichrichter 23 fließende Strom sofort auf die Hälfte seines ursprünglichen Werts (bei Leerlaufbedingungen). Dieser plötzliche und beträchtliche Abfall des UmschaltStroms ist in Fig. 5 angedeutet. Das durch die Rückführung der Umechaltenergie erzeugte Erhitzen des gesteuerten Siliziumgleichrichters 23 wird daher drastisch verringert. Die Umschaltenergie bei der Rückführung wird über den Transformator 47 geführt, in einer der Dioden 51 und 52 gleichgerichtet und aufgrund der Anschlüsse an die ^eiter 20,

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21 an den -Eingangsstromkreis zurückgeführt. Folglich wird nicht nur die Erhitzung des gesteuerten Siliziumgleichrich-.ters 23bedeutsam verringert, sondern die in dem Umschaltprozess benutzte Energie wird wiedergewonnen und nachfolgend in dem zyklischen Aufladen der Kondensatoren 31, 32 und beim darauf folgenden Entladen während je'der Betriebsphase des Wechselrichters wieder benutzt.

Pig. 6 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, die von der in Fig. 4 gezeigten dadurch abweicht, daß in dem E-nergierückführungsstromkrei8 55 ein Transformator 56 mit einer zusätzlichen Primärwicklung 57 angeordnet ist. Eine Diode ist zwischen den unteren Abschnitt der Wicklung 57 und den gemeinsamen Anschluß zwischen dem gesteuerten SLliziumgleichrichter 23 und der Wicklung 28 gekoppelt, und der obere Absohnitt der Wicklung 57 ist an den Eingangsleiter 20 gekoppelt. Während jeder halben Periode des Wechselrichterbetriebs wird folglich ein Hilfspfad vervollständigt. Das hejßfc,daß, wenn der gesteuerte Siliziumgleichrichter 23 abgeschaltet ist, während der gesteuerte Siliziumgleichrichter 22 eingeschaltet ist, ein Hilfsstrompfad von der Wicklung 27 über die Wicklung 28 des Drosselaufbaus, Diode 58, -Primärwicklung 57, Leiter 20 und den gesteuerten Siliziumgleichrichter 22 zurück an die Wicklung 27 verläuft. Die Arbeitsweise dieses Stromkreises während abwechselnder Halbpenoden geht leicht aus den vorstehend im Zusammenhang mit Fig. 4 gegebenen Erläuterungen hervor. _ß_

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- 18 Bevorzugte Ausführungsform

In Fig. 7 ist eine ^Ausführungsform dargestellt, die sich besonders für den kommerziellen Gebrauch eignet. Der Energierückführungsstromkreis 60 weist einen Transformator 61 auf, der ein Paar Primärwicklungen 62 und 63 und eine Sekundärwicklung 64 hat. Ein Ende der Sekundärwicklung 64 ist an den gemeinsamen Anschluß zwischen den Kondensatoren 31» 33 und den Y/icklungen 27» 28 gekoppelt, während das andere Ende der Sekundärwicklung in der Zeichnung zwischen den Dioden 3 3 und angeschlossen ist. Ein Ende der Primärwicklung 62 ist über eine Diode 65 an den Leiter 21 und das andere Ende dieser Primärwicklung 62 ist an den gemeinsamen Anschluß zwischen der Wicklung 27 und dem gesteuerten Siliziumgleichrichter 22 gekoppelt. Die andere Primärwicklung 63 ist nut einem Ende über eine Diode 66 an den Leiter 20 und mit dem anderen Ende an den gemeinsamen Anschluß zwischen der Wicklung 28 und dem gesteuerten Siliziumgleichrichter 23 gekoppelt.

Wenn während des Betriebs der gesteuerte Siliziumgleichrichter 22 abgeschaltet und der gesteuerte Siliziumgleichrichter 23 eingeschaltet ist, wird die in dem Kondensator 32 aufgespeicherte Umschaltenergie schnell in die Wicklung 28 des Drosselaufbaus 27, 28 abgegeben. Nach der Umkehrung der Polarität an der Wicklung 28 und dem Beginn der Rückf'jhru- der

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Umschaltenergie in den Stromkreis, wird ein Hilfspfad von der Wicklung 28 über den gesteuerten Siliziumgleichrichter 23, Leiter 21, Diode 65, Primärwicklung 62 und Wicklung 27 zurück an die Wicklung 28 des Drosselaufbaus geschlossen. Folglich wird ein Leitpfad geschlossen, der die Wicklungen 27 und 28 einschließt, so daß die Wicklung 27 den Strom teilt, der in dem magnetischen Stromkreis des Drosselaufbaus aufgespeicherte Energie an den EingangsStromkreis zurückführt. Ein beträchtlicher Teil der über diesen soeben beschriebenen Hilfsstromkreis übertragenen Energie wird durch magnetische Kopplung über die Sekundärwicklung 64 des Transformators 61 und zurück über eine der Dioden 33 und 34 (im betrachteten Moment ist es Diode 33) an den Eingangsstromkreis rückgeführt. Es gibt auch einen Leitpfad für die Energierückführung, wie in Verbindung mit Fig.8 beschrieben wird. Der wechselweise Betrieb dieser Anordnung ist dem Faohmann leicht aus den vorhergehenden Beschreibungen und der Darstellung der Transformatoranordnungen 38, 40 in Fig. 1 ersichtlich. Weiterhin ist ersichtlich, daß die Dioden 65 und 66 die Rückführung der Reaktanzenergie in ähnlicher Weise wie die Überlaufdioden in den früheren Stromkreisen besorgen.

Fig. 8 zeigt einen gleichartigen Stromkreis für einen Teil des in Fig. 7 gezeigten Wechselrichterstromkreises, wobei der verhältnismäßig klein« Spannungsabfall über den gesteu-

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erten Siliziumgleichrichter 23 beim Beginn der Hückführung der in der Wicklung 28 des Drosselaufbaus aufgespeicherten Energie an den Stromkreis vernachlässigt ist. Aufgrund der Richtung, in der die Diode in den Stromkreis gekoppelt ist, kann sie als Mittel zum Schließen einer Strombahn angesehen werden, die nicht nur die Wicklung 28, an die die Umschaltenergie abgegeben worden ist (durch Entladen des angeschlossenen Dondensators oder auf andere Weise), sondern auch eine zusätzliche Induktivität (in dieser Ausführung die andere Wicklung 27) einschließt, um den Strom gerade nach dem Beginn der Rückführung der Umschaltenergie zu teilen, indem sie die Gesamtzahl der Windungen in dem Uberströmstromkreis wirksam erhöht. Es ist ersichtlich, daß eine andere induktive Wicklung als die Wicklung 27 von der linken Seite der Wicklung direkt an die gemeinsame Verbindung zwischen den Wicklungen 28 und 27 gekoppelt werden könnte, und daß die obere Wicklung 27 des Drosselaufbaus dann bei der Rückführung der Umschaltenergie nicht benötigt würde. Ein bedeutsamer Teil der Erfindung ist jedoch die Verwendung des oberen Teils 27 des Gesamtdrosselaufbaus während der Zeit, in der die Überstrom- oder Umschaltenergie rückgeführt wird, wohingegen zuvor kein Stromfluß durch diese Wicklung (27) bestand, nachdem der gesteuerte Siliziumgleichrichter 22 abgeschaltet worden war.

Nachdem die Umschaltenergie in die Wicklung 28 überführt worden

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ist, beginnt die Höhe des durch die 'wicklung 28 fließenden Stromes abzunehmen, und die Polarität der an dieser WicB. uns erscheinenden Spannung kehrt sich um. Durch die Diode 65» Primärwicklung 62 und die Wicklung 27 beginnt ein Strom i zu fließen. Unter einem angenommenen Windunjrsverhältnis a zwischen der Primärwicklung 62 und der Sekundärwicklung 64 fließt durch die Wicklun/r 64 und die Diode 33 ein Strom i /a nach dem Leiter 20. Dadurch verbleibt ein Strom von i (1-l/a), der (bei Leerlaufbedingungen) in der Wicklung 28 fließt. Bei jedem praktischen Windungsverhältnis (und bei Leerlaufbedingungen) teilen sich die Ströme in den Wicklungen 28 und 27 ungefähr gleich auf, wobei in der Wicklung 28 ein etwas geringerer Strom fließt als in der Wicklung 27.

Andere Ausführungsforaen

Xn dem Stromkreis von ?ig. 9 sind zwei zusätzliche Wioklungen 70 und 71 auf demselben Kern 30 vorgesehen, der die Wicklungen 27 und 28 magnetisch miteinander koppelt. Zusätzlich sind die Wicklungen 62, 63 und 64 des Transformators 61, die in Fig. 7 eng benachbart gezeigt sind, in anderer Weise dargestellt, aber ihre elektrischen und magnetischen funktionen sind genau dieselben. Iblglioh wird für eine gegeben· Rückführung der ÜMBChaltenergie a.B. von Wicklung 28, ein Leitpfad von dem unteren Absohnitt der Wicklung 28 über den geeteu-

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erten Siliziumgleichrichter 23» Leiter 21, Diode 65» Primärwicklung 62 des Rückführtrarsformators und die Wicklungen 70 und 27 an die Wicklung 28 vollendet. Es ist sofort ersichtlich, daß mit der Einführung von mehr Windungen in den Strompfad durch den die Umschaltenergie rückgeführt wird, bei konstanter Energiemenge gerade vor und gerade nach Beginn dieser Energierückführung, der Rückumlaufstrom bei keiner Last beträchtlich unter die Höhe gesenkt werden kann, die in der Ausführungsform von Fig. 7 erreicht wird, d.h. beträchtlich unter den Punkt, an dem der Sprung oder die allmähliche Stromabnahme in Fig. gezeigt ist. Das Spannungsverhältnis der Schutzdioden 65 und 66 muß erhöht werden, aber das erhöhte Spannungsverhältnis wird durch die gleichzeitige Abnahme des Stromflusses durch diese Dioden aufgehoben, so daß die Kosten dieser Bestandteile ungefähr konstant bleiben.

In Fig. 10 ist eine andere Anordnung für den Energierückführungsstromkreis gezeigt. Zwischen die Leiter 21 und 20 sind eine dritte Induktivität 75t eine dritte Diode 65» eine vierte Induktivität 74 und eine vierte Diode 66 gekoppelt. Nicht die Darstellung des Kerns, der die Wicklungen 27 und 28 magnetisch koppelt, ist erweitert, sondern die Wicklungen 74 und 75 sind in der Zeichnung in demselben magnetischen Stromkreis des Drosselaufbaus In gestrichelten Linien 76 und 77 gekoppelt gezeigt. Alle vier Wicklungen 27_f 28, 74 und 75

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können auf denselben magnetischen Kern gewickelt werden, um diese Kopplung untereinander zu bewirken. An die gemeinsame Verbindung zwischen Diode 65 und Wicklung 74 ist ein Ende der Primärwicklung 78 des Energierlickführtransformator gekoppelt. Die gestrichelte Linie 30 deutet die magnetische Kopplung zwischen der Primärwicklung 78 und der Sekundärwicklung· 81 des Transformators an. Das andere Ende der Primärwicklung 78 und ein Ende der Sekundärwicklung 81 sind an den gemeinsamen Anschluß der Wicklungen 27 und 28 gekoppelt. Somit wird beim Beginn der Rückführung der Umschaltenergie von der Wicklung 28 ein Pfad von dieser Y/icklung über den ges"teuerten Siliziumgleichrichter 23» leiter 21, Y/icklung 75» Diode 65 und Primärwicklung 78 an die Spitze der Wicklung 28 vollendet. Dies ist ein anderer Stromkreis für die Schaffung zusätzlicher Windungen in dem -^eitpfad unmittelbar nach dem Beginn der Umschaltenergierückfdhrung, um die durch die Rückführung der Umschaltenergie erzeugte Höhe des rücklauf enden citroms weiter

zu verringern.

Der in Fig. 11 gezeigte Stromkreis macht die Art und Weise deutlich, in der die gewünschte Energierückfuhrungsanordnung durch Hinzufügen von Wicklungen 85 und 86 geschaffen werden kann, die zwischen den Dioden 33 und 34- elektrisch miteinander gekoppelt sind. Zusätzlich sind diese Wicklungen, wie durch die gestrichelten linien 87 und 88 angedeutet ist, magnetisch·

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an die gegenwirkenden Drosselaufbauwicklungen 28, 27 gekoppelt. Daher wird, wenn der gesteuerte Siliziumgleichrichter 23 eingeschaltet wird, von dem unteren Teil der Wicklung 28 über den gesteuerten Siliziumgleichrichter 23, Leiter 21, Diode 34, Wicklung 86 (die in dieser Ausführungsform die zweite induktive Wicklung zur Aufteilung des Stromes in dem Bückführpfad für die Umschaltenergie ist), Primärwicklung 38, ein Hilfsleitpfad an die Wicklung 28 geschaffen. Die Rückführung der wieder umlaufenden Energie über die Sekundärwicklung 40 und die Dioden 41, 42 ist schon beschrieben worden. Es ist ersichtlich, daß die in Fig. 10 und 11 gezeigten Ausführungsformen getrennte Induktivitäten vorsehen, die nicht Teile der Umschaltdrosselspule sind, über die die Sperrspannung angelegt wird, um die Anzahl der Windungen in dem Leitpfad für die Rückführungsenergie zu vergrößern und dadurch die Amplitude des Stroms durch den gesteuerten Siliziumgleichrichter zu verringern,' was der Rückführung der Umschaltenergie zugute kommt.

Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß durch die Anwendung der Erfindung eine wesentliche Vergrößerung der Bemessung oder Schaltleistung eines Wechselrichters erreicht werden kann, der Teile mit gegebener elektrischer und physikalischer Größe aufweist. Durch unmittelbares Erhöhen der Windungszahl in dem Leitpfad für die Rückführung der Umschaltenergie wird die Größe des Rückführungsstromes um einen Betrag reduziert,

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der von der Anzahl der dem Stromrückfülirungspfad zugefügten Windungen abhängig ist. Von wesentlicher Bedeutung ist die Ausführungsform, in der diese zusätzlichen Windungen "frei" erhalten werden, indem der andere Teil der Umschaltdrosselanlage in dem Gleichstrompfad benutzt wird, wohingegen normalerweise durch diesen anderen Teil' der Drosselspule kein Strom fließt, wenn der andere Teil der Drosselspule sich in dem Laststromkreis befindet. Der Energierückfihrungstransformator (z.B. Transformator 61 in •Fig. 7) braucht keine physikalisch große Einheit zu sein, da das Spannungs-Zeit-Integral oder die Kombination der Spannung, die an diesen Transformator gelegt ist, und der Zeitperiode, während der diese Energieübertragung stattfindet, verhältnismäßig klein, nämlich gerade groß genug ist, um ein Wiedergewinnen der Umschaltenergie zu gestatten.

Obwohl nur eine besondere Ausführungsform der Erfindung beschrieben und gezeigt worden ist, ist ersichtlich, daß zahlreiche Änderungen der Erfindung möglich sind, ohne von ihrem Bereich abzuweichen.

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Claims (6)

Patentansprüche

1. Wechselrichter mit einer an die Gleichspannungsquelle angeschlossenen Reihenschaltung aus einem ersten gesteuerten Gleichrichter, einer Umschaltdrossel, an deren Mitte der Ausgangskreis angeschlossen ist, und einem zweiten gesteuerten Gleichrichter, je einem zwischen dem Ausgsngskreis und einem der Pole der Gleichspannungsquelle angeschlossenen Kondensator, je einer an die Pole der Gleichspannung squelle in Verrichtung angeschlossenen Ableitdiode und einer Hilfsschaltung, die eine mit der Umschaltdrossel gekoppelte Induktivität und eine dieser Induktivität mit der Gleichspannungsquelle verbindende, in Bezug auf die Gleichspannung in Sperrichtung geschaltete Diode aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (?8} 57 ί 62, 63) mit ihrem nicht an die Diode (50 > 58; 65, 66) angeschlossenen Ende galvanisch mit der Verbindungsstelle zwischen der Umschaltdrossel (30) und demjenigen gesteuerten Gleichrichter (22| 23 j 22, 23)» der an den nicht mit der Diode verbundenen Pol der Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, verbunden ist.

2. Wechselrichter nach Anspruoh 1, dadurch gekennzeichnet, daß an beiden Enden der UmschaltdroRsel (30) je eine aus Induktivität (48\ 57» 62, 63) und Diode (50, 58| 65, 66) bestehende Hilfsschaltung angeschlossen 1st.

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ORIGtNAL INSPECTED

3. Wechselrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dai3 die Induktivität (48; 57; 62, 63) als Wicklung eines Transformators ausgebildet ist, der eine aber Trenndioden (51, 52) symmetrisch an die Gleichspannungsquelle angeschlossene Sekundärwicklung (49) aufweist (Fig. 6).

4. Wechselrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (62, 63) als Wicklung eines Transformators (61) ausgebildet ist, der eine mit ihrem einen Ende an die Mitte der Umschaltdrossel (30) und mit ihrem anderen £nde über je eine der Ableitdioden (33, 34) an die Pole der Gleichspannungsq.uelle angeschlossene Sekundärwicklung aufweist (Pig. 7).

5. Wechselrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der Induktivität (62, 63) eine mit der Umschaltdrossel (27, 28) induktiv, gekoppelte Zusatzspule (70, 71) vorgesehen ist (Fig. 9).

6. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ableitdioden in an sich bekannter zum Ausgangskreis (24) führen.

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