DE1538623C2

DE1538623C2 - Mittelpunkt-Gleichrichterschaltung

Info

Publication number: DE1538623C2
Application number: DE1538623A
Authority: DE
Inventors: Toshio Kurimura; Kazuomi Tokyo Yamamura
Original assignee: Kokusai Denshin Denwa KK
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 1965-06-18
Filing date: 1966-06-16
Publication date: 1982-10-28
Also published as: US3422341A; DE1538623A1; GB1118267A

Description

Die Erfindung betrifft eine Mittelpunkt-Gleichrichterschaltung mit zu den Gleichrichtern in Reihe geschalteten Sättigungsdrosseln und einer deren Steuerwickiungen beeinflussenden Steuerschaltung mit einer zur Stabilisierung der Ausgangsleistung den Gleichstrom nacheinander auf Drossel-Gleichrichter-Einheiten umschaltenden Gleichspannungsquelle.

Es ist eine Mittelpunkt-Gleichrichterschaltung der genannten Art bekannt (DE-AS 11 70 049), bei welcher die Mittelanzapfung des Netztransformators an eine Gleichrichterausgangsklemme geführt ist. Diese bekannte Schaltung erfordert eine Steuerspannung, die im wesentlichen gleich der Gleichrichterausgangsspannung ist, um einen extrem stabilen Vormagnetisierungsstrom zu erzeugen. Es bereitet erhebliche Schwierigkeiten, eine solche Spannung aus der Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung zu erzeugen. Es ist deshalb in der Praxis eine zusätzliche Steuerspannungsquelle erforderlich. Diese bekannte Gleichrichterschaltung besitzt im übrigen eine verhältnismäßig geringe Regelempfindlichkeit gegenüber einer plötzlichen Änderung der Eingangswechselspannung oder des Ausgangsgleichstromes. Außerdem treten leicht Regelschwingungen auf, wenn das Gerät auf eine vergleichsweise hohe Regelempfindlichkeit eingestellt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mittelpunkt-Gleichrichterschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei guter Steuercharakteristik eine nur geringe Steuerspannung benötigt. Dies wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 erreicht. Bei der bekannten Gleichrichterschaltung ist eine Steuerspannung erforderlich, die nur etwa die Hälfte der Ausgangsspannung beträgt. Es ist somit in einfacher Weise möglich, die Steuerspannung unmittelbar von der Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung abzuleiten. Es ist somit in einfacher Weise möglich, eine stabile Steuerspannung zu erahlten, die zu einer guten Steuercharakteristik führt.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus dem Anspruch 2.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild einer bekannten Gleichrichterschaltung;

F i g. 2a, 2b, 2c Schaltbilder verschiedener Belastungskreise, welche bei der Schaltung nach F i g. 1 und auch bei der erfindungsgemäßen Schaltung verwendet werden können;

Fig.3 eine Darstellung einer Wellenform zur Erläuterung der Arbeitsweise der Gleichrichterschaltung nach F i g. 1;

F i g. 4a und 4b grafische Darstellungen der Kennlinien sättigbarer Drosselspulen für die erfindungsgemäße Schaltung;

F i g. 5 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung in Verbindung mit einem Einphasen-Vollweggleichrichter;

Fig.6 eine Darstellung einer Wellenform zur Erläuterung der Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels nach Fig.5;

F i g. 7 und 9 Schaltbilder weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit einem Dreiphasen-Vollweggleichrichter;

F i g. 8 eine Darstellung einer Wellenform zur Erläuterung der Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels nach F i g. 7.
Anhand der F i g. 1, 2a und 2c wird die Arbeitsweise einer bekannten Gleichrichterschaltung in Verbindung mit Einphasen-Vollweggleichrichter erläutert. Die wesentlichen Bauelemente dieser Schaltung sind ein Gleichrichtertransformator 2 mit Eingangswechselspannungsklemmen 1 und l_a und Sekundärwicklungsanschlußklemmen 3 und 5 mit dem Mittelpunkt 4, Gleichrichtern 10 und 11, Sättigungsdrosseln 16 und 17, deren Hauptwicklungen 6 und 8 jeweils an eine Sekundärwicklungsanschlußklemme 3 bzw. 5, dem Gleichrichtertransformator 2 sowie an einen der Gleichrichter 10 und 11 angeschlossen sind, in Reihenschaltung liegende Steuerwicklungen 7 und 9 der Sättigungsdrosseln 16 und 17 sowie eine Gleichspannungsquelle 14. Die Reihenschaltung der Steuerwicklungen 7 und 9 ist an eine Anschlußklemme 12 des Gleichrichterausgangs und an eine Klemme der Gleichspannungsquelle 14 angeschlossen, wobei die andere Klemme der Gleichspannungsquelle 14 an den Mittelpunkt 4 angeschlossen ist. Die Ausgangsgleichspannung liegt mit den Klammern 12, 13 an einer Belastung 15.

Man kann verschiedenartige Belastungen 15 vorgeben. Die F i g. 2(a), 2(b) und 2(c) zeigen Beispiele für deratige Belastungen, und zwar einen ohmschen Widerstand 20, einen ohmschen Widerstand 20 und

so einen dazu parallelen Kondensator 21 oder eine induktive Belastung aus einer Glättungsdrossel 22 und dazu in Reihe liegendem ohmschen Widerstand 20 und dazu parallelen Kondensator 21.

Fig.3 zeigt Wellenformen zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. 1 mit einem ohmschen Widerstand 20 als Belastung 15. Die Spannungen V3, V₄, V₅, Vi₂ und Vi₄ geben jeweils die Spannungen an den Klemmen 3, 5 und 12 sowie am Mittelpunkt 4 an der Gleichspannungsquelle 14 der Schaltung nach den F i g. 1 und 2(a) an. Die in dicker Linie ausgezogene Spannung V12 ist die gleichgerichtete Ausgangsspannung, die man durch Unterdrückung nur eines Teils der Wechselspannungen V3 und V₅ während einer je.den Periode (beispielsweise entsprechend den Flächenabschnitten B und C) infolge der Drosselwirkung der Sättigungsdrosseln 16 und 17 erhält.

Bei positiver Spannung V5 und gesättigter Sättigungsdrossel, sind die Spannungen V5 und V12 einander im

wesentlichen gleich. Wenn die Spannung V₁₂ kleiner als die Spannung Vi₄ der Gleichspannungsquelle 14 wird, d. h. während der Zeit fi bis t₂, fließt in Pfeilrichtung 18 (Bild 1) ein Strom durch die Reihenschaltung der Steuerwicklungen 7 und 9, weil die Differenz der Spannungen V_]2 und V₎₄ an der Steuerwicklung 7 liegt. Nach dem Zeitpunkt f₂ wird die Spannung; V₃ positiv, doch der Gleichrichter 10 kann zwischen^en Zeiten f₂ und f₃ nicht leitend werden, solange" die in der Hauptwicklung 6 durch die Klemmenspannung der Steuerwicklung 7, d. h. der Differenz zwischen den Spannungen V_n und Vi₂, induzierte Spannung größer als die Spannung V3 ist.

Wenn das Windungszahlverhältnis zwischen der Hauptwicklung 6 und der Steuerwicklung 7 beispielsweise 1 :1 beträgt, kann der Gleichrichter 10 nicht leitend werden, solange die Spannung V₃ nicht größer ist als die Spannung Vi₄. Sobald nach der Zeit t₃ die Spannung V3 den Wert der Spannung Vi₄ überschreitet, wird der Gleichrichter 10 leitend. Die Sättigungsdrossel 16 wird in Auswirkung der Differenz zwischen der Spannung V₃ und der an der Hauptwicklung 6 anliegenden Spannung Vn magnetisiert. Die in der Steuerwicklung 7 induzierte Spannung übersteigt den Wert der Spannung Vu. Das Spannungs-Zeit-Integral dieses die Spannung V)₄ überschreitenden Anteils entspricht der Fläche C; hierdurch wird ein Stromfluß entgegen der Pfeilrichtung 18 hervorgerufen, der die Sättigungsdrossel 17 entsprechend dem Betrag der Fläche Centmagnetisiert.

Wie man aus der vorstehenden Beschreibung ersieht, ist das Spannungs-Zeit-Integral für die Magnetisierung der Sättigungsdrossel 16 gleich der Summe der Flächen A, B und C. Die Sättigungsdrossel 16 ist zu der Zeit U gesättigt, wenn die Summe der Flächen A, B und C gleich dem Spannungs-Zeit-Integral für die vorhergehende Entmagnetisierung der Sättigungsdrossel 16 wird. Dabei wird die Ausgangsgleichspannung Vi₂ gleich der Spannung V₃. Nachdem die Sättigungsdrossel 16 ihren Sättigungszustand erreicht hat, fließt der Strom in der Reihenschaltung der Steuerwicklungen 7 und 9 immer noch entgegen der Pfeilrichtung 18, und die Sättigungsdrossel 17 wird entsprechend dem Spannungs-Zeit-Integral der Fläche D weiterhin entmagnetisiert. Nach dem Zeitpunkt fs wird die Sättigungsdrossel 17 in ähnlicher Weise magnetisiert, wie dies für die Sättigungsdrossel 16 beschrieben worden ist.

Als Zusammenfassung der vorigen Beschreibung kann man sagen, daß hinsichtlich der Sättigungsdrosseln 16 und 17 das Spannungs-Zeit-Integral für die so Entmagnetisierung gleich der Summe der Flächen Cund D gleich, während das Spannungs-Zeit-Integral für die Entmagnetisierung gleich der Summe der Flächen A, B und Cist. Es gilt dann folgende Gleichung:

A + B+ C= C+ D (1)

Folglich gilt:

A + B = D (2)

Es ist in der Praxis in verschiedener Hinsicht schwierig, bei dem Gerät nach F i g. 1 eine Bezugsspannung zu erhalten, die der Ausgangsspannung gleich ist. Wenn beispielsweise die Bezugsspannung mit Hilfe einer Konstantspannungsdiode erhalten werden soll, stellt es theoretisch einen Widerspruch dar, vom Ausgang der Schaltung selbst den für die Diode erforderlichen Vorstrom abzuleiten, d. h., es wird die Stabilität der Ausgangsspannung stark verringert. Um diese Schwierigkeit zu überwinden, muß eine besondere Energiequelle für den Vorstrom zur Konstantspannungsdiode verwendet werden. Diese Vorgenannten Nachteile können durch die Erfindung wirksam vermieden werden.

F i g. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Verbindung mit einer Vollweggleichrichtung einer Einphasen-Wechselstromquelle, bei welchem die Sättigungsdrossel 16 aus Hauptwicklungen 6 und 30 sowie einer Hilfswicklung oder Steuerwicklung 7 besteht, die alle auf einen gemeinsamen Kern gewickelt sind. Ebenso besteht die Sättigungsdrossel 17 aus Hauptwicklungen 8 und 31 und einer Hilfswicklung oder Steuerwicklung 9, die alle auf einen gemeinsamen Kern gewickelt sind. Die Hauptwicklungen 6,8,30 und 31 und die Gleichrichter 10, 11, 32 und 33 sind miteinander zu einem Vollweg-Brückengleichrichter verbunden, der mit den Sekundäranschlußklemmen 3 und 5 der Wechselstromquelle verbunden ist. Die Steuerwicklungen 7 und 9 und die Gleichspannungsquelle 14 sind in Reihe geschaltet, wobei die so gebildete Reihenschaltung zwischen den Mittelpunkt 4 der Wechselspannungsquelle (im vorliegenden Fall des Gleichrichtertransformators 2) und die Ausgangsklemme 13 über die Gleichspannungsquelle 14 geschaltet ist. Da bei diesem Ausführungsbeispiel die Klemme 4 die Spannung V12 in zwei gleiche Teile teilt, wird die in F i g. 6 gezeigte Wellenform erhalten.

Anhand von F i g. 6 wird die Arbeitsweise dieser Schaltung beschrieben. Während eines Periodenabschnitts U bis t₂, in welchem sich die sättigbare Drosselspule 16 in ihrem Sättigungszustand befindet, wird der gleichgerichtete Strom durch die Hauptwicklungen 6 und 30 geleitet, und es ist die Spannung Vi 2/2 der Spannung V3/2 gleich. Die Magnetisierung und Entmagnetisierung der Sättigungsdrossel 16 und 17 mit Windungszahlverhältnissen der jeweils auf einem gemeinsamen Kern sitzenden Wicklungen von 1:1:1 verläuft folgendermaßen: da die Spannung V12/2 nach der Zeit t₂ unter die Spannung Vj₄ abfällt, fließt ein Strom in den in Reihe geschalteten Steuerwicklungen in Pfeilrichtung 18 und magnetisiert die Sättigungsdrossel 17. Wenn nach einem Zeitpunkt t₃ die Spannung V12/2 unter den Nullwert absinkt, werden die Gleichrichter 11 und 33 leitend, und es beeinflußt ein Spannungs-Zeit-Integral als Fläche B die Hauptwicklungen 8 und 31. Während einer Zeit U und fs, in welcher die Spannung Vi2/2 die Spannung V_]4 überschreitet, fließt ein Strom durch die Reihenschaltung der Steuerwicklungen 7 und 9 entgegen der Pfeilrichtung 18 und entmagnetisiert mittels des Spannungs-Zeit-Integrals C die Sättigungsdrossel 16, durch deren Hauptwicklungen 6 und 30 der gleichgerichtete Strom nicht fließt. Die Sättigungsdrossel 16 wird während der Zeit fs bis ti magnetisiert, da die Sättigungsdrossel 17 innerhalb der Zeit f₂ bis f₄ magnetisiert worden ist. Nach der vorstehenden Erläuterung gilt folgende Beziehung

A + B= C

folglich ist der Mittelwert der Spannung zwischen der Ausgangsklemme 13 und dem Mittelpunkt 4 gleich der Spannung Vi₄. Der Mittelwert des gleichgerichteten Ausganges gemäß dem Ausführungsbeispiel ist gleich dem zweifachen Wert der Spannung Vi₄. Es ist vorteilhaft, daß die Spannung Vi₄ in der üblichen einfachen Weise durch Verwendung der Ausgangsspannung Vb erhalten werden kann.
Nach den Wellenformbildern der Fig.6 fällt die

Spannung V12/2 häufig unter den Nullwert. Zur Verhinderung dieses Abfalls der Spannung V12/2 kann man einen Gleichrichter als Freilaufdiode verwenden, dessen Anode an die Ausgangsklemme 13 und dessen Kathode an die Anschlußklemme 12 angeschlossen ist.

Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf eine Gleichrichterschaltung für Einphasenwechselstrom. Die Erfindung ist jedoch auch bei Gleicbrichterschaltungen für Dreiphasen-Wechselstrom anwendbar.

In der vorstehenden Beschreibung ist in bezug auf die Schaltungen nach den Fig.5 und 7 angenommen, daß die Kerne der sättigbaren Drosselspulen eine rechteckförmige Hysteresis-Kennlinie aufweisen (F i g. 4a). Diese Kennlinienform ist jedoch nicht wesentlich. Auch Kerne mit einer Hysteresis-Kennlinie nach Fig.4(b) sind für diese Schaltungen gebräuchlich. Der Grund hierfür ergibt sich aus der folgenden Beschreibung.

Die an den Anschlußklemmen einer jeden Sättigungsdrossel anliegenden positiven und negativen Spannungs-Zeit-Integrale sind der Größe der Flußänderung des betreffenden Kerns proportional und müssen einander gleich sein. Folglich verschwindet der Spannungsmittelwert an den Anschlußklemmen der sättigbaren Drosselspule, wenn der Wicklungswiderstand der sättigbaren Drosselspule vernachlässigt werden kann. Unter Berücksichtigung dieser Eigenschaften der Reihenschaltung der Steuerwicklungen 7 und 9 und der Hilfsdrosselspule 9 wird die Spannung Vu im wesentlichen doppelt so groß wie die Spannung Vu. Die Sättigungsdrosseln 16 und 17 steuern den gleichgerichteten Strom so, daß sich diese Eigenschaften ergeben.

Anhand der F i g. 7 und 8 soll nunmehr eine Ausführungsform der Erfindung für die Vollwellengleichrichtung von Dreiphasenstrom beschrieben werden. Zur Vollwellengleichrichtung eines Dreiphasenwechselstroms sind sechs Reihenschaltungszweige aus je einem Gleichrichter 71, 72, 73, 74, 75 bzw. 76 und je einer Hauptwicklung 86, 88, 90, 92, 94 bzw. 96 an die Anschlußklemmen 2₃,2*, bzw. 2_C der Dreiphasenwechselspannungsquelle bzw. an die Klemmen 12 oder 13 angeschlossen. Drei Gruppen hintereinander geschalteter Steuerwicklungen 87 und 93, 89 und 95 bzw. 91 und 97 sind in Reihe an Hilfssättigungsdrosseln 100,101 bzw. 102 geringer Stromaufnahme sowie an eine Gleichspannungsquelle 14 angeschlossen. Eine Anschlußklemme 50 der Gleichspannungsquelle 14 liegt am Mittelpunkt 4 der Dreiphasenwechselspannungsquelle. Die restlichen Anschlußklemmen der Sättigungsdrosseln 100,101 und 102 liegen zusammen an der Anschlußklemme 12. In dieser Schaltung liegt die Differenzspannung zwischen der Spannung Vi₄ der Gleichspannungsquelle 14 und der Spannung zwischen den Klemmen 12 und 4 an jedem der drei Schaltungszweige an, die jeweils aus zwei Steuerwicklungen 87 und 93, 89 und 95 bzw. 91 und 97 und einer Hilfssättigungsdrossel 100, 101 und 102 bestehen.

F i g. 8 ist ein Wellenformschaubild zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. 7 mit einer Belastung nach F i g. 2(c). Es ist vorausgesetzt, daß die Sättigungsdrosseln 80 bis 85 und die Hilfssättigungsdrosseln 100 bis 102 jeweils Hysteresiskennlinien nach Fig.6(a) besitzen und daß die Magnetisierungsströme der Hilfssättigungsdrosseln 100 bis 102 geringer als diejenigen der Hauptsättigungsdrosseln 80 bis 85 sind. Weiterhin ist angenommen, daß die Richtung der Magnetisierungsströme der Hilfssättigungsdrosseln 100,101 und 102 jeweils der Pfeilrichtung 103,104 bzw. 105 entgegengerichtet ist. Dann ergibt sich folgende Arbeitsweise:

a) Die Hilfssättigungsdrossel 100 wird mittels eines Spannungs-Zeit-Integrals B\ entmagnetisiert.

b) Die Sättigungsdrossel 80 wird mittels eines Spannungs-Zeit-Integrals (A\ + Q + D\) gesättigt.

c) Die Sättigungsdrossel 83 wird durch ein Spannungs-Zeit-Integral entsprechend dem Unterschied zwischen den Spannungs-Zeit-Integralen (A\ + E\) und B\ entmagnetisiert. Innerhalb dieses Periodenabschnitts erreicht die Hilfssättigungsdrossel 100 ihren Sättigungszustand.

d) Die Hilfssättigungsdrossel 100 wird durch eig-Spannungs-Zeit-Integral (A₂ + B₂ + C₂ + D₂)" entmagnetisiert.

e) Die Sättigungsdrossel 83 wird durch ein Spannungs-Zeit-Integral (Fi + Gi) magnetisiert und kommt in den Sättigungszustand.

f) Die Sättigungsdrossel 80 wird durch ein Spannungs-Zeit-Integral entsprechend der Differenz

. zwischen den Spannungs-Zeit-Integralen (E₂ + Fi + Gi) und (A₂ + B₂ + C₂ + D₂) entmagnetisiert. Innerhalb dieses Periodenabschnitts erreicht die Sättigungsdrossel 100 ihren Sättigungszustand.

g) Die Hilfssättigungsdrossel 100 wird durch ein Spannungs-Zeit-Integral (B₃ + C3 + D₃) entmagnetisiert und durch ein Spannungs-Zeit-Integral E₃ magnetisiert, so daß sie ihren Sättigungszustand erreicht.

Die Arbeitsschritte a) bis g) stellen eine Arbeitsperiode der an die Anschlußklemme 2_a angeschlossenen Sättigungsdrosseln 80, 83 und 100 dar. Die anderen, an die Anschlußklemmen 2_b bzw. 2_C der Wechselspannungsquelle angekoppelten Sättigungsdrosseln durchlaufen eine entsprechende Arbeitsperiode. Offenbar muß der Mittelwert der Spannung Vi₂ an der Anschlußklemme 12 der Spannung Vh gleich sein, damit die beschriebenen Arbeitsschritte a) bis g) bezüglich aller Sättigungsdrosseln ablaufen können. Folglich ist der Spannungsmittelwert zwischen den Ausgangsklemmen 12 und 13 dem Doppelten der Spannung Vi₄ der Gleichspannungsquelle 14 gleich.

Hierzu" 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mittelpunkt-Gleichrichterschaltung mit zu den Gleichrichtern in Reihe geschalteten Sättigungsdrosseln und einer deren Steuerwicklungen beeinflussenden Steuerschaltung mit einer zur Stabilisierung der Ausgangsleistung den Gleichstrom nacheinander auf Drossel-Gleichricht£]r-_Einheiten umschaltenden Gleichspannungsquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerwicklungen (7, 9; 87, 89, 91, 93, 95, 97) der Sättigungsdrosseln (16, 17; 80, 81, 82, 83, 84, 85) über die Gleichspannungsquelle (14) zwischen den Mittelpunkt (4) des Gleichrichtertransformators (2) und einen Gleichrichterausgang (12) geschaltet sind.

2. Mittelpunkt-Gleichrichtersschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine in Reihe zu den Steuerwicklungen geschaltete Hilfsdrossel (100,101, 102), deren Unmagnetisierungsstrom kleiner als der der Sättigungsdrosseln ist (F i g. 7).