DE1513935A1

DE1513935A1 - Mittelfrequenzumrichter

Info

Publication number: DE1513935A1
Application number: DE19651513935
Authority: DE
Inventors: Golde Dipl-Ing Ernst; Foerster Dr-Ing Johannes
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1965-07-07
Filing date: 1965-07-07
Publication date: 1970-01-02
Also published as: AT259692B; US3439254A; GB1157813A

Description

Licentia Patent-Verwaltungs-G.m.b.H. Frankfurt/Main, Theodor-Stern-Kai 1

Grützmann/olf. P 15 13 935.2 CW004) '

21. 4. 1969 - L 51 062 -

Mittelfrequenzumrichter

Die Erfindung betrifft eine SchaXtungsanordnung zur Erzeugung einer einphasigen Spannung höherer Frequenz. Solche Spannungen werdtn beispielsweise auf dem Gebiet der induktiven Erwärmung benötigt. Da im allgemeinen nur ein- oder dreiphasige niederfrequente Landesnetze zur Verfügung stehen, eventuell ist sogar nur ein Gleichspannungsnetz vorhanden,-müssen Schaltungsanordnungen geschaffen werden, die aus diesen Spannungen eine einphasige Spannung höherer Frequenz herstellen.

Häufig werden für diese Aufgabe Umrichter mit Quecksilberdampfventilen oder steuerbaren Halbleiterventilen eingesetzt, die aus einem Gleichrichter und einem selbstschwingenden Wechselrichter (Umrichter mit Gleichstrom-Zwischenkreis) bestehen. Dem Wechselrichter eines solchen Umrichters ist dabei durch die Freiwerdezeit der verwendeten Stromrichterventil eine obere Frequenzgrenze gesetzt, die um so niedriger liegt, Je höher der Leistungsfaktor ist.

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Bei einem einphasigen Wechselrichter in der bekannten·Brückenschaltung ist für die Periode der Betriebsfrequenz bei einem Phasenwinkel von beispielsweise 45.°, der einem Leistungsfaktor von 0,707 entspricht, bereits mindestens das Achtfache der Freiwerdezeit vorzusehen· Viii man mit höheren Leistungsfaktoren arbeiten, danm muss man die Periode der Betriebsfrequenz entsprechend vergrössern.

Es sind nun bereits Schaltungsanordnungen vorgeschlagen worden, die eine Erhöhung der Betriebsfrequenz des Wechselrichters über die genannten Werte hinaus ermöglichen. Dabei handelt es sich um Schwingkreiswechselrichter, in denen aus einem Kondensator und einer Induktivität bestehenden Schwingkreis zusätzlich eine Schaltdrossel geschaltet ist. Während der Ummagnetisierung der Schaltdrossel wird der Kondensator über ein oder mehrere steuerbare Stromrichterventile und über eine oder mehrere Induktivitäten aus einer Spannungsquelle aufgeladen. Obgleich diese Schaltungsanordnung gegenüber den bekannten Wechselrichtern einen erheblichen Fortschritt darstellt, insbesondere eine höhere Frequenz ermöglicht, kann sie nicht völlig befriedigen. Zweimal innerhalb einer Periode wird die Schaltdrossel !^magnetisiert, so dass auch zweimal innerhalb einer Periode im Lastkreis eine stromlose Pause auftritt. Während die erste stromlose Pause erwünscht ist, da die Freiwerdezeit des zur Ladung der Kapazität dienenden steuerbaren Stromrichterventils nicht unterschritten werden darf, ist die zweite· stromlose Pause nutzlos und setzt lediglich die Höhe der erreichbaren Betriebsfrequenz herab.

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Demzufolge liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer einphasigen Spannung höherer Frequenz zu schaffen, die die Nachteile und . Mängel der "bekannten und bereits vorgeschlagenen Schaltungsanordnungen vermeidet.

Demzufolge betrifft die Erfindung einen zur Speisung eines einphasigen Verbrauchers be st ieMte»^HWgM^K|rOtf cäind-auf -

des Prinzip der Aufladung und Entladung eines Kondensators in Fora Ton Schwlngungsvorgängen. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu einem Schwingungskreiskondensator einerseits die Reihenschaltung aus einer Spammngsquelle einer Ladedrossel und eines steuerbaren Stromrichterventil zur Aufladung und · andererseits dl« HeiheÄSOhaltung aus einer Sehwingkreisdrossel und eine« steuerbaren Stromrichterventil zur Entladung, dem in entgegengesetzter PoImAg ein nicht steuertarββ Stromrichterventil parallel geschaltet ist, vorgesehen ist.

Durch die erfindungsgemSsse Schaltungsanordnung können in einfacher Weise etwa doppelt so hohe Betriebsfrequenzen erreicht werden wie mit einem einphasigen Wechselrichter in Brückenschaltung.

In Weiterbildung der Erfindung kann die Frequenz im Verbraucherkreis beliebig erhöht werden, indem mehrere Schwingkreiskondensatoren vorgesehen werden, die über Ladedrosseln und je zwei steuerbare Stromrichterventile abwechselnd aus zwei gleichsinnig in Reihe geschalteten Spannungsquellen aufgeladen und über je zwei steuerbare Stromrichterventile entladen werden, wobei die

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Stromrichterventile ait einem' derartigen Fhasenversatz steuerbar sind, dass eich ©ine erhöhte Frequenz im Verbraucheretromkreis ergibt. Kisht steuerbare Stromrichterventile werden dann nicht mehr benötigt»

Es ist zwar bereite eine ähnliche Schaltungsanordnung vorgeschlagen wordtrü, in der mehrere Schwingkreiskondensatoren verwendet werden, die über Ladedrosseln und steuerbare Stromrichtervertil^ aue einer in der Witt· angezapften Gleichspannungsquell® aufgeladen werden, Jedoch werden diete Schwingltveiskondensatoren über ßchaltdroseeln entladen·

Wegen der streuenden Baten der Sohaltdroeeeln kann diese vorgeschlagene Schaltungsanordnung ,1 β doch nur verhältnisnSesig ungenau dimensioniert werden, &o dass si· für höhere Betriebβ-frequ@ns@B nicht geeignet ist, da sieh diese Ungenauigkeit mit wachsender B'dtriaberrequenx immer stärker bemerkbar macht.

Nachstehend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel niher erläutert werden·

In der zugehörigen Zeichnung zeigen Flg. 1 die Schaltungsanordnung eines Umrichters gemäB der

verliegenden Erfindung, Fig. 2 Strom- und Spannungeverlauf des in Fig. 1 dargestellten

TJfflrichters, Flg. 3 die Schaltungsanordnung eines Umrichters gemäß der

boi dem zur Erhöhung der Frequenz im Verroafcrfsis mehrere Schwingkreiskondensatoren Bu9881/0348

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vorgesehen sind und

Fig. Λ Strom- und Spannungsverlauf dee in Pig. 3 dargestellten Umrichters.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Umrichter gemäß der Erfindung wird ein Schwingkreiekondensator 21 aus einer Spannungsquelle 71 über ein steuerbares Stromrichterventil 15 und eine Ladedrossel 31 in Form eines Schwingungsvorgangeβ aufgeladen.

Nach Zündung eines zweiten steuerbaren Stromrichterventils 1 zum Zeitpunkt t - 0 schwiegt der Schwingkreiskondensator 21 über einen aus einer Schwingkreiedroesel 4-1 und einem ohmschen Widerstand 42 bestehenden Lastkreie 40 um. Im Anschluß daran erfolgt die Huckschwingung Über ein nicht steuerbares Stromrichterventil 80. Während der gesamten Eüekschwingseit, t^ < t < t₂ , wird das steuerbare Stromrichterventil 1 apannungsmässig in Sperrichtung beansprucht. Xm AnschluB daran muss eine stromlose Pause zur Nachladung des Kondensators 21, verlängert um die Freiwerdezeit des steuerbaren Stromrichterventil 15, folgen.

In Fig. 2 sind diese Verhältnisse dargestellt. Man erkennt, dass bei dieser Schaltungsanordnung eine Betriebsperiode vorzusehen ist, die lediglich das Drei- bis Vierfache der Freiwerdezeit beträgt.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist in Fig. J> dargestellt. Diese Schaltungsanordnung besteht aus zwei Spannungsquellen 71»72,

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die gleichsinnig in Reih· geschaltet sind, aus drei Kondensatoren 21,22,23 und drei Ladedrosseln 31,32,33» aus zwei Gruppen von je drei steuerbaren Stromrichterventilen 11,13,15 bzw. 12,14,16, die zur Aufladung der Kondensatoren dienen, aus zwei Gruppen von je drei steuerbaren Stroarichterventilen 1,3*5 bzw. 2,4,6, die zur Entladung der Kondensatoren dienen, aus einer mit einer Mittelanzapfung versehenen Drosselspule 60, aus einem Kompensationskondensator 50 und einer Last 40, die sich aus einem Widerstand 42 und einer Induktivität 41 zusammensetzt.

Die Kondensatoren 21,22,23 sind auf der einen Seite mit dem Verbindungspunkt der beiden Spanaungsquellen 71»72 und auf der anderen Seite über je eine Ladedrossel 31»32,33 mit den beiden Gruppen der zur Ladung der Kondensatoren dienenden steuerbaren Stromrichterventile 11,13»15 bzw. 12,14,16 verbunden. Die Ventilgruppe 11,13,15 ist ihrerseits mit der Gleichspannungsquelle 71 und die Ventilgruppe 12,14,16 mit der Gleichspannungsquelle 7² verbunden. Zwischen dem Verbindungspunkt der beiden Gleichspannungsquellen 71»72 und der Mittelanzapfung der Drosselspule 60 ist über den Kompensationskondensator 50 die Last 40 angeordnet. Die Enden der Drosselspule 60 sind über die beiden Gruppen der zur Entladung der Kondensatoren dienenden steuerbaren Stromrichterventile 1,3»5 bzw. 2,4,6 mit den Verbindungspunkten zwischen den Kondensatoren 21,22,23 und den Ladedrosseln 31»32,33 verbunden.

Die Punktionsweise dieser Schaltungsanordnung ist folgende : Die. Kondensatoren 21,22,23 seien auf die in Fig. 3 eingezeichnete Polarität aufgeladen. Bezugspunkt ist das Potential des Konden-

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sator-Sternpunktes·

Ztir Zeit t » O wird d£fl Stromrichterventil 1 durch eine nicht dargestellte Steuersi,^richtung gezündet, so dass sich der Kondensator 21 in Form eines Schwingungevorganges über die Drosselspule 60 den Komperusationskondensator 50 und die Last 40 entlädt. Im Augenblick de? Fullwerdens des Laststromes wird einerseits das Stromrichterventil 2 gesundet, so dass sich nun der Kondensator 22 über die Last 40 entlädt und in der Last 40 ein Strom entgegengesetzter Richtung flieset, und andererseits wird das Stromrichterventil 12 gesundet, wodurch der Kondensator 21 In Form eines Schvlngungsvorganges auf die in Klammern eingezeichnete Polarität nachgeladen wirft· Im Augenblick der Zündung des Stromrichterventil« 2 iet di· Spannung am Kondensator 22 grosser als die am Kondensator 21, well diesir v«gen der Dämpfung im Umschwingkreis nicht auf seinen Hennwert schwingen konnte. Um zu verhindern, dass ven diesem Augenblick an das Stromrichterventil 1 spannungsmSssig in Durchlaßrichtung beansprucht wird und Strom übernimmt, ist ι die Drosselspule 60 vorgesehen. Diese übernimmt im Augenblick der Zündung des Stromrichterventils 2 entsprechend dem Induktivitätsverhältnis swischen Drossel 41 und Drossel 60 einen Teil der Verbraucherspannung und fügt diesen in doppelter Höhe so in den Stromkreis über Stromrichterventil 1 ein, dass dieses spannungsmässig in Sperrichtung beansprucht wird.

Der Lade- und Entladevorgang wiederholt sich mm unter zyklischer Vertauschung der Kondensatoren 21,22,23 und der Stromrichter-ventile 1,3,5, 2,4*6 und 11,13,15, 12,14,16. Im Augenblick des

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Nullwerdens des über das Stromrichterventil 2 fliessenden Laststromes wird also das Ventil 3 und das Ventil 13 gezündet, im Augenblick des Nullwerdens des über das Ventil 3 fliessenden Laststromes das Ventil 4 und das Ventil 14. In entsprechender Weise geht es weiter. Wie man leicht erkennt, fliesst über die Last 40 ein Wechselstrom, der nacheinander über die steuerbaren Stromrichterventile 1,2,3,4,5,6 fliesst.

In Fig. 4 sind in zeitlicher Zuordnung die Strom- und Spannungsverläufe der wichtigsten Schaltungselemente des in Pig. 3 gezeigten Umrichters dargestellt.

Für eine Schaltungsanordnung mit drei Kondensatoren, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, ergibt eich folgendes :

Im Hinblick auf die steuerbaren Stromrichterventil 1 bis 6, die zur Entladung der Kondensatoren 21 bis 23 dienen, müsste eine Betriebsperiode vorgesehen werden, die lediglich etwa das 0,8-Fache der Freiwerdezeit der genannten Stromrichterventile beträgt.

Im Hinblick auf die steuerbaren Stromrichterventile 11 bis 16, die zur Aufladung der Kondensatoren 21 bis 23 dienen, müsste eine Betriebsperiode vorgesehen werden, die etwa das 1,5-Fache der Freiwerdezeit der genannten Stromrichterventile beträgt. Legt man beispielsweise eine Löschzeit von 30,us zu Grunde, dann ist mit der in Fig. 3 dargestellten Schaltungsanordnung eine Betriebsfrequenz von über 20 kHz erreichbar. Durch Erhöhung der Zahl der verwendeten Kondensatoren und steuerbaren Stromrichterventile ist eine beliebige Erhöhung der Betriebsfrequenz möglich.

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Voraussetzung ist lediglich, dass die Zahl der Kondensatoren eine ungerade ganze Zahl gleich oder grosser drei ist, damit über die Last 4-0 abwechselnd positive und negative Stromhalbwellen fliessen. Durch Erhöhung der Zahl der Kondensatoren auf fünf wird beispielsweise die erforderliche Betriebsperiode auf etwa das 0,6-Fache der Freiwerdezeit der steuerbaren Stromrichterventile erniedrigt, so dass sich unter den gleichen Bedingungen wie zuvor eine Mögliche Betriebsfrequenz von über 55 kHz ergibt.

In Fig. 3 sind als Spanrmngsqutll«n zwei einzelne Spannungsgeneratoren 7Ί und 72 gezeichnet. Ib allgemeinen wird Jedoch nur eine Spannungsquelle, sei es ein· Batterie, ein Generator oder ein aus einem Wechsel- oder Drehstroanetz gespeister Gleichrichter, zur Verfügung stehen, so dass an Stelle der beiden dargestellten Spannungsquellen zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren treten, die am Ausgang einer einzigen Spannungsquelle angeschlossen sind.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung können schliesslich die einzelnen Ladedrosseln 31»32,33 durch eine einzige Ladedrossel ersetzt werden, die zwischen dem Sternpunkt der Kondensatoren und dem Mittelpunkt der speisenden Gleichspannungsquelle eingeschaltet wird.

9 Seiten Beschreibung,

4- Patentansprüche,

2 Blatt Zeichnungen mit 4· Figuren

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Claims

Licentia Pat ent-Verwaltungs-G. m.b.H. 1513935 Frankfurt/Main, Theodor-Stern-Kai 1

P 15 13 935.2 (40/004) - L 51 062 -

Patentansprüche :

1. Zur Speisung eines einphaeigen Verbrauchers bestimmter Umrichter, beruhend auf den Prinzip der Aufladung und Entladung eines Kondensators in form von Schwingungsvorgängen, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu einem Schwingkreiskondensator (21) einerseits die Reihenschaltung aus einer Spannungequelle (71)t einer Ladedrossel (31) und eines steuerbaren Stromrichterventil (15) zur Aufladung und andererseits die Reihenschaltung aus einer Sohwingkreisdrossel (41) und einem steuerbaren Stromrichterventil (1) zur Entladung, dem in entgegengesetzter Polung ein nicht steuerbares Stromrichterventil (80) parallel geschaltet ist, vorgesehen ist (Fig. 1).

2. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gleichsinnig in Reihe geschaltete Spanmingsquellen (71,72) oder eine Spannungsquelle, die durch zwei in Reihe geschaltete kondensatoren überbrückt ist, vorge-

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sehen sind, an deren Verbindungspunkt über η Ladedrosseln (31,32,33) η Kondensatoren (21,22,23) ange schlossen sind, denen 2 η steuerbare Stromrichterven- tile (11 bis 16) zur Aufladung und 2 η steuerbare Strom- richterrentile (1 bis 6) tür Entladung zugeordnet sind, wobei η eine ungerade ganze Zahl und gleich oder größer als 3 ist» und dal die Stronrlehterventile (1 bis 6 und 11 bis 16) mit einen derartigen Phasenversatz steuerbar sind, dafi sieb eine erhöhte frequenz in Verbraucheret ronkre ie (40) ergibt (Fig. 3).

3· Umrichter naoh Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die η Lededroaeeln (31,32,33) durch eine für die η Kondensatoren (21,12,29) gemeinsame, an den Verbindungspunkt der beiden Spannung»quellen (71,72) angeschlossene Drosselspule gebildet «int·

4. tt&riohter aaeh AnapnieJi 2 oder 31 dadurch gekennzeichnet, dafi für je einen Kondensator in an sich bekannter Weise zwei steuerbare Stromriebterventile zur Entladung vorge sehen sind, die abwechselnd zur Wirkung gebracht werden und zu zwei Gruppen zusamengefasst sind, daß der zweck-Kässig blindstromkompensierte Verbraucherstromkreis (AO) zwischen den Verbindungspunkt der beiden Spannungsquellen (71_t72) und der Mittelanzapfung einer Drosselspule (60) die zwei Gruppen der steuerbaren Stromrichterventile zur Entladung angeschlossen sind.

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