DE1638505C3 - Frequenzumformer - Google Patents

Description

Durchlaßrichtung ges .-halteten gesteuerten Gleichrichtern 1 und 4 bzw. 2 und 3 bestehen. Die Gleichspan· 50 nungsausgangspunkte dieser Brücke, die mit den Anoden der Gleichrichter 1 und 3 bzw. mit den Kaihoden der Gleichrichter 2 und 4 verbunden sind, liegen an unterschiedlichen, untereinander nicht gekop-

Die Erfindung betrifft einen Frequenzumformer pelten Drosselspulen 10 und 11, über die sie mit einem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. 55 Ende eines Ausgangskreises verbunden sind.

Ein solcher ist bekannt aus der GB-PS 10 47681. Der Ausgangskreis besteht aus der Primärwicklung

Besonders in deren Fig. 12 wird gezeigt, wie mit einer 12 eines Ausgangstransformators 13 mit einer Sekun-Gleichrichterbrücke und mit Resonanzkreisen eine därwicklung 14. aus einer Induktivität 15, die in Reihe niedrigere Frequenz in eine höhere Frequenz transfor- mit der Primärwicklung 12 geschaltet ist und von der miert werden kann, Dabei ist vorausgesetzt, daß die so Streuinduktanz des Ausgangstransformators 13 gebildet Umformung nur in zwei Stufen mit verschiedenartigen werden kann, und aus einem Kondensator 16, der Schaltmitteln stattfinden soll, wozu steuerbare Gleich- parallel mit der Reihenschaltung der Primärwicklung 12 richter in der Brücke und eine sättigbare Drosselspule und der Induktivität 15 liegt.

im Ausgangskreis vorgesehen sind. Auch ist die Das andere Ende des Ausgangskreises 12, 15, 16 ist

Ausgangsfrequenz durch einen Ausgangskreis festge- 65 mit dem Sternpunkt eines kapazitiven Netzwerkes legt, der frei schwingt und der mit einer Frequenz verbunden, das aus zwei gleichen Kondensatoren 17 und angestoßen wird, die niedriger ist als die Resonanzfre- 18 besteht und mit den gemeinsamen Punkten der quenz des Ausgangskreises. gesteuerten Gleichrichter 1, 4 bzw. 2, 3 der beiden

verschiedenen Gleichstromkreise der Gleichrichterbrücke verbunden ist Die gemeinsamen Punkte der Gleichrichter 1 und 4 bzw. 2 und 3 sind andererseits, je mit einer entsprechenden Klemme einer Wechselspannungsspeisequelle 20 verbunden, je über ein für die Ausgangsfrequenz sperrendes und für die Speisefrequenz durchlassendes LC-Filier mit Längsinduktivitäten 21 und 22 und Querkondensatoren 24 und 27.

Ein aus einem Kondensator 30 bzw. 31 in Reihe mit einem Widerstand 36 bzw. 37 bestehender Dämpfungskreis überbrückt den Gleichrichter 1 der Gleichrichter 1 und 3 und den Gleichrichter 2 der Gleichrichter 2 und 4, die mit je einer Drosselspule 10 bzw. 11 verbunden sind. Diese Dämpfungskreise schützen die gesteuerten Gleichrichter vor den hohen Gegenspannungsspitzen, die an den Drosselspulen beim Unterbrechen des dadurch fließenden Stromes erzeugt werden. Die gesteuerten Gleichrichter müssen vor diesen Spannungsspitzen geschützt werden, wozu aber zwei Dämpfungskreise genügen infolge der Anwesenheit der Kondensatoren 17,18 und 24 hoher Kapazität.

Die mit der Sekundärwicklung 14 des Transformators 13 des Ausgangskreises verbundene Belastung ist eine Gleichrichterbrücke 42, mit deren Gleichspannungsausgangsklemmen der Kathoden-Anodenkreis eines Magnetrons 43, z. B. eines Hochfrequenzofens, verbunden ist.

Die Wechselspannungsspeisequelle 20 ist z. B. ein Wechselspannungsnetz von 220 Volt und 50 Hz und die der Gleichrichterbrücke 42 zugeführte Ausgangsspannung ist z. B. eine Spannung von 6000 Hz nominal. Der Ausgangskreis 12,15,16 bildet einen Parallelresonanzkreis. Er ist vorzugsweise annähernd adf diese Vorzugsausgangsfrequenz abgestimmt und bildet samt jeder der beiden Drosselspulen 10 und 11 einen Resonanzkreis, der auf eine höhere Frequenz als die gewünschte Ausgangsfrequenz abgestimmt ist, welche ihrerseits höher ist als die der Speisewechselspannung.

Der Steuerpenerator 7 schwingt mit der gewünschten Ausgangsfrequenz und steuert abwechselnd mit dieser Wiederholungsfrequenz und über den Transformator 8 die beiden mit der Drosselspule 10 verbundenen Gleichrichter 1 und 3 und mit derselben Wiederholungsfrequenz und über den Transformator 9 die beiden mit der anderen Drosselspule 11 verbunderen Gleichrichter 2 und 4. Hierdurch wird nur derjenige der beiden gesteuerten Gleichrichter (1 und 3 bzw. 2 und 4) stromleitend gemacht, dessen Kathode negativ bzw. dessen Anode positiv ist. Zum Beispiel, wie auf der ersten Zeile der F i g. 2 dargestellt, werden die Gleichrichter 1 und 2 während einer ersten Halbwelle der Speisespannung abwechselnd stromleitend gemacht (schraffierte Flächen) und die Gleichrichter 3 und 4 während der nächsten Halbwelle abwechselnd stromleitend gemacht.

Jedesmal, wenn einer der Gleichrichter 1 bis 4 Etromleitend ist, wird der Parallelresonanzkreis 12, 15, 16 hierdurch und über die entsprechende Drosselspule 10 und 11 angeregt, so daß ein Wechselstrom /„ der Steuerfrequenz durch diesen Kreis aufrechterhalten wird, wie es auf der zweiten Zeile der F i g. 2 dargestellt ist, wo der jedesmal stromieitende Gleichrichter gleichfalls angedeutet ist.

Das aus den Längsinduktivitäten 21, 22 und den Querkondensatoren 24, 27 gebildete Filter unterdrückt sämtliche in der von der Wechselspannungsspeisequelle 20 gelieferten Wechselspannung etwa vorhandenen Spitzen und verhütet, daß diese die gesteuerten Gleichrichter 1 bis 4 erreichen. Das Filter verhütet aber im wesentlichen, daß die erzeugte Ausgangsspannung höherer Frequenzen die Wechselspannungsspeisequelle 20 erreicht und stellt eine niedrige, kapazitive

Querimpedanz für diese Ausgangsspannung dar.

Da der Ausgangskreis 12, 15, 16 samt der Drosselspule 10 oder samt der Drosselspule 11 einen Reihenkreis bildet, der auf eine höhere Frequenz als die gewünschte Ausgangsfrequenz abgestimmt ist, passiert

ίο der Strom I, durch diesen Reihenkreis und durch den dann leitenden Gleichrichter den Nullwert vor dem Strom I₁₁, wie er auf der dritten Zeile der Fig.2 dargestellt ist. Der betreffende Gleichrichter erlischt also, bevor der nächste Gleichrichter stromleitend wird Die »Umschaltung« verursacht also keine Schwierigkeiten, solange der Unterschied zwischen einer Halbwelle der Ausgangswechselspannung mit der Frequenz f_u und einer Halbwelle der Schwingung mit der Eigenfrequenz /, des Reihenkreises 12,15,16,10,17,18 oder 12,15,16, 11, 17, 18 größer ist als die Wiederhei^.ellungszeit der gesteuerten Gleichrichter.

Die Bedingung /,>/„ bedeutet praktisch, daß die Induktanz jeder der Drosselspulen 10 und 11 kleiner als die im Parallelresonanzkreis 12, 15, 16 wirksame

Induktanz, z. B. falls die Induktivität 15 von der Streuinduktanz des Transformators 13 gebildet und die Belastung 42, 43 nahezu ohmisch ist, kleiner als diese Induktivität 15 sein muß. Der Ausgangskreis 12, 15, 16 bildet samt jeder der

JO Drosselspulen 10 und 11 vorzugsweise einen Reihenkreis, der auf eine Frequenz f, höher als l,4mal der Ausgangsfrequenz abgestimmt ist; wenn der Ausgangskreis 12,15,16 auf die Ausgangsfrequenz /„abgestimmt ist, bedeutet diese Bedingung (f,>\A fu). daß die im Ausgangskreis wirksame Induktanz (z. B. Lm) höher ist als zweimal der von jeder Drosselspule 10 und 11

(i.₁₅>2L,o= 2L₁₁).

Unter diesen Verhältnissen hat der Wert und/oder der

Charakter (induktiv, ohmisch oder kapazitiv) der Belastung 42, 43 nur wenig Einfluß auf die Gestalt der Stromimpulse durch jeden der gesteuerten Gleichrichter 1 bis 4. Die Amplitude dieser Strorr'-mpulse vergrößert sich praktisch in proportionalem Verhältnis mit der Belastung, während die Ausgangsspannung V„ im wesentlichen und praktisch ausschließlich durch die Größe der Spannung an der Belastung bedingt wird.

Dies gilt insbesondere für das Magnetron 43, das durch eine Quelle von der Gegenspannung E_n, mit einem verschwindend kleiner Eigenwiderstand ersetzt werden kann. Eine entsprechende Gegenspannung £„= E_nZn ist dann an der Induktivität (2, 15 abwechselnd mit dem eirif η u.,d :nit dem anderen Vorzeichen wirksam, wobei η das Übersetzungsverhältnis zwischen der Sekundär wicklung 14 und der Primärwicklung 12 darstellt. Der Spitzenwert der Wechselspannung £|₆ am Kondensator 16 muß also wenigstens gleich dem dieser Spannung E_u sein. Andererseits, wenn der Spannungsabfall an den gesteuerten Gleichrichtern 1 bis 4 (von der Größenord nung von 1 Volt bei gesteuerten Halbleitergleichrich· tern) außer Betracht gelassen wird, ist die Amplitude von £|6 gleich der Hälfte von der der Speisewechselspannung Ek zuzüglich der Spannung E_u:

£,_fi Spitze = γ E₂₀ Spitze + E₁₁.

Die maximale Gegenspannung an einem gesteuerten Gleichrichter, z. B. 1, ist gleich dem Spitzenwert der

Speisewechselspannung £20 zuzüglich

C₁₇ + C₁

mal der Gegenspannung £„:

V_imax = E₂₀ Spitze + ^Λ+Sn+SiL . _E. _Spitze.

^LI7 + <-1S

Die der Gegenspannungsquelle 43 gelieferte Leistung P_u ist gleich

2 ■ f_u ■ Ek ■ Qd ■ E_u.
Nun ist

£»—£20 Spitze · sin ω_ν · t, ''

wobei ω,-2π fr ist und /V-die Frequenz der Speisewechselspannung darstellt.

P₁₁ = - ■ /„ ■ E₂₀ Spitze · C_lfi · £„.

2(1

Bei einer praktischen Ausführungsform zum Speisen eines Magnetrons 43 des Typs Philips TX 206 waren die gesteuerten Gleichrichter 1 bis 4 Halbleitergleichrichter des Typs Philips BTY 91/800 R, während die Gleichrichterbrücke 42 aus Dioden des Typs Philips BY 138 mit zehn Dioden in Reihe in jedem Zweig aufgebaut war. Die Drosselspulen 10 und 11 hatten je eine Induktanz von 45 μΗ, der Transformator 13 und die Induktivität 15 waren auf einem gemeinsamen, aus zwei jn U-förmigen Halbkernen bestehenden Ferritkern mit Luftspalt gewickelt. Auf dem einen Schenkel war die Primärwicklung 12 von 30 Windungen über die Sekundärwicklung 14 von tausend Windungen gelegt, während die aus 25 Windungen bestehenden Induktivi- y, tat 25 von 150 μΗ auf dem anderen Schenkel gewickelt war. Der Luftspalt beschränkte die Induktanz des Primärkreises aus Primärwicklung 12 und Induktivität 15 auf 1000 μΗ bei Leerlauf, das ist ein Wert, bei dem der Umformer noch ohne Gefahr für die gesteuerten -to umgekehrtem Verhältnis mit dieser Speisespannung geändert werden, und zwar bei £20 = 220+10% auf 6000 Hz und bei £» = 220 - I0% auf 7300 Hz gebracht werden, was durch eine automatische Frequenzregelung des Steuergenerators 7 leicht bewirkt werden kann.

Der Wirkungsgrad des Umformers war von der Größenordnung von 90% und sein Gewicht betrug nur 8 kg oder 30% des Gewichtes des üblichen Hochspannungs-Speisegeräts mit einem Netzfrequenztransformator.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig.3 wird aus einem Dreiphasennetz als Wechselspannungsquelle 20 gespeist. Dementsprechend enthält der Frequenzumformer eine Gleichlichterbrücke mit drei Gleichstromkreisen, die je aus zwei miteinander in Reihe und in derselben Durchlaßrichtung geschalteten gesteuerten Gleichrichtern 1 und 2 bzw. 3 und 4 bzw. 5 und 6 bestehen, während der Transformator 8 mit drei Sekundärwicklungen zum Steuern der Gleichrichter 1,3 und 5 versehen ist. Ein Ende des Ausgangskreises 12,15, 16 ist mit dem Sternpunkt eines aus drei gleichen Kondensatoren 17, 18 und 19 bestehenden kapazitiven Netzwerkes verbunden, das an die gemeinsamen Punkte der gesteuerten Gleichrichter der verschiedenen Gleichstromkreise der Gleichrichterbrücke 1 bis 6 angeschlossen ist.

Der gemeinsame Punkt der beiden gesteuerten Gleichrichter (z. B. 1 und 2) jedes Gieichstromkreises ist über ein Tiefpaßfilter aus den Teilen mit den Bezugszeichen 21, 24, 27 bzw. 22, 25, 28 bzw. 23, 26, 29 mit der entsprechenden Klemme (z. B. R) der Wechselspannungsspeisequelle verbunden, und zwecks Aufrechterhaltung der Symmetrie ist jeder gesteuerte Gleichrichter 1 bis 6 von einem Dämpfungskreis aus den Teilen mit den Bezugszeichen 30,36; 31, 37; 32, 38; 33, 39; 34,40 bzw. 35,41 überbrückt.

Die Wirkungsweise des Ausführungsbeispiels nach F i g. 3 entspricht völlig derjenigen des ersten Ausführungsbeispiels.

Durch die von den Transformatoren 8 und 9

50

das Verhältnis π gleich 15°° = 18.2 war.

Die Längsinduktivitäten 21 und 22 des Filters waren auf einem gemeinsamen Ferritkern gewickelt und hatten je einen Wert von etwa 330 μΗ, und die übrigen Elemente hatten folgende Werte:

Kondensator 16 4 μΡ

Kondensatoren 17und 18 10 μΡ

Kondensator 24 10 μΡ

Kondensator 27 10 μΡ

Kondensatoren 30 und 31 0,1 μ¥

Widerstände 36 und 37 33 Ohm

Mit diesen Elementen war die Resonanzfrequenz f_s des Reihenkreises 12,15,16,10,17,18 oder 12,15,16, 11,17,18 gleich 103 kHz, so daß die Ausgangsfrequenz /„ vorzugsweise kleiner als 0,7 · 103=7,2 kHz bleiben solL Die Parallelresonanzfrequenz des Kondensators 16 und der Induktivität 15 war gleich 6,5 kHz, so daß diese eo Bedingung mit einer Steuerfrequenz gleich dieser Resonanzfrequenz erfüllt werden konnte.

Mit einer Speisewechselspannung von 220 Volt und bei einer Steuerfrequenz von 6600 Hz wurde dem Magnetron 43 eine Leistung von 2^kW bei einer Spannung von 5,6 kV geliefert Um diese gewünschten Werte bei Änderungen der Speisewechselspannung aufrechtzuerhalten, mußte die Steuerfrequenz etwa in von den gesteuerten Gleichrichtern 1,3 und 5 bzw. 2, 4 und 6 jeweils derjenige stromleitend gemacht, dessen Anoden-Kathodenspannung in der Vorwärtsrichtung liegt und den höchsten Augenblickswert hat, wie es in Fig.4 durch schraffierte Segmente dargestellt ist. Es kann vorkommen, wie z. B. im Punkt A (90°), daß ein Steuerimpuls in einem Augenblick erzeugt wird, in dem an zwei gesteuerten Gleichrichtern (4 und 6) die gleiche Vorwärtsspannung liegt In einem solchen Fall werden beide Gleichrichter ungefähr gleichzeitig stromleitend, aber derjenige (4), dessen Anoden-Kathodenspannung abnimmt, wird von anderen (6), dessen Anoden-Kathodenspannung zunimmt, gelöscht

Wird ein Steuerimpuls vor einem solchen Augenblick erzeugt, z. B. im Punkt B{25"), so wird der Gleichrichter 4 stromleitend Kommt dann der nächste Steuerimpuls nach dem Augenblick entsprechend dem Punkt A, z. B. in dem Augenblick entsprechend dem Punkt C(105°), so bleibt der Gleichrichter 4 bis zu diesem letzten Augenblick stromleitend, wenn der erste Steuerimpuls in dem Augenblick entsprechend dem Punkt A bereits beendet ist, sonst wird der Gleichrichter 6 in dem Augenblick entsprechend dem Punkt A stromleitend gemacht, übernimmt den Strom und löscht den Gleichrichter 4, um seinerseits in dem Augenblick entsprechend dem Punkt Cgelöscht zu werden.

Die Belastung ist hier angedeutet als vom Ankerkreis

44 eines Kollektormotors gebildet.

Fig. 5 zeigt eine Abart des Ausführungsbeispiels nach F i g. 3.

Bei dieser Abart besitzt die Wechselspannungsspeisequelle 20 einen zugänglichen Nulleiter und der Sternpunkt der Wechselspannungsspeisequelle, mit dem das 'lodere Ende des Ausgangskreises verbunden ist, ist unmittelbar an diesen Nulleiter angeschlossen. Unter diesen Verhältnissen genügen, unter Aufrechterhaltung der Symmetrie, zwei Dämpfungskreise U(J, 36 bzw. 31, 37; jeder gesteuerte Gleichrichter ist also von einem Dämpfungskreis 30, 36 oder 31, 37 in Reihe mit einem der Filterkondensatoren 24, 25 und 26 überbrückt (wobei hier nur die jeweiligen Bezugszeichen genannt

sind).

Naturgemäß kann man Frequenzumformer der beschriebenen Art mit einer Gleichrichterbrücke mit mehr als zwei oder drei Gleichstromkreisen bauen, z. B. mit sechs Gleichstromkreisen, die je aus zwei miteinander in Reihe und in derselben Durchlaßrichtung geschalteten gesteuerten Gleichrichtern bestehen. Jedoch der Vorteil gegenüber der bekannten Kombination eines Gleichrichters mit einem darauffolgenden Umformer wird bei zunehmender Phasenzahl kleiner und ist sehr zweifelhaft, wenn man von einer üblichen Dreiphasenwechselstromspeisequelle ausgehen muß, um eine Speisequelle mit einer höheren Phasenzahl, /.. B. sechs, zu verwirklichen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Patentansprüche: verbesserten, stark vereinfachten, frequenzerhöhenden Umformer zu schaffen, wobei nur in der Brücke

1. Frequenzumformer ohne Gleichstromzwi- Schaltmittel verwendet werden und wobei mittels schenkreis für die Erzeugung einer Ausgangswech- 5 verschiedener schalttechnischer und Semessungsmaßselspannung höherer Frequenz aus einer Eingangs- nahmen eine Leistung übertragen wird, stark veränderwechselspannung niedrigerer Frequenz, der eine liehe Belasttmgen des Umformers möglich sied und die Gleichrichter-Brücke mit wenigstens zwei Brük- Löschung der steuerbaren Gleichrichter keine zu^ätzlikenzweigen enthält, die jeweils aus zwei miteinander chen Maßnahmen erfordert

in Reihe und in derselben Durchlaßrichtung io Zur Lösung dieser Aufgabe werden die im kennzei-

geschalteten, über Steuergeneratoren zyklisch ge- chenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnah-

steuerten Gleichrichtern bestehen, wobei die Gleich- men vorgeschlagen.

spannungs-Ausgangspunkte dieser Gleichrichter- Eine zweckmäßige Ausgestaltung ergibt sich aus

Brücke über Drosselspulen mit einem Ende eines Anspruch 2.

Schaltungskreises verbunden sind, dessen anderes I5 Die Größe und der Charakter der Belastung haben

Ende an einen Sternpunkt der Eingangs-Wechsel- nur wenig Einfluß auf die Arbeitsweise des Umformers,

Spannungsquelle angeschlossen ist, wobei dieser solange diese Belastung die Maximalleistung des

Schaltungskreis den Ausgangsresonanzkreis umfaßt Umformers nicht überschreitet Der Umformer eignet

und der getn°insame Punkt der beiden gesteuerten sich daher außergewöhnlich gut zum Speisen stark

Gleichrichter jedes Gleichrichter-Brückenzweiges 20 veränderlicher Belastungen, z. B. Belastungen mit dem

mit einer entsprechenden Klemme der Eingangs- Charakter einer Gegenspannungsquelle, wie des An-

Wechselspannungsquelle verbunden ist, dadurch odenkreises eines Magnetrons, einer oder mehrerer

gekennzeichnet, daß der Schaltungskreis den gas- oder dampfgefüllter Entladungslampen, eines

Ausgangsresonanzkreis, bestehend aus einem Kon- Elektromotors einer Akkumulatorenbatterie oder eines

densator (16) parallel zu der Reihenschaltung aus der 25 Gleichrichters mit Filter mit Eingangskondensator.

Primärwicklung (12) eines Ausgangstrafos (13) und Die Erfindung wj:d an Hand der Zeichnung

einer Induktivität (15), bildet, und daß die Steuerfre- beispielsweise näher erläutert Es zeigt

quenz des Steuergenerators (7) und die Frequenz der Fig. 1 das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels

Ausgangswechselspannung einander gleich sind, und eines Frequenzumformers nach der Erfindung,

daß der Aus^angsresonanzkreis (12, 13, IS, 16) 30 F i g. 2 ein Spannungs-Zeitdiagramm zur Erläuterung

zusammen mit jeder der unterschiedlichen Drossel- der Wirkungsweise dieses Ausführungsbeispiels,

spulen (10,11) einen Relhenres /lanzkreis mit einer Fig. 3 das Schaltbild eines zweiten Ausführungsbei-

Resonanzfrequenz bildet, die höher liegt als die spiels,

Steuerfrequenz, und der Steuergi ierator (7) die mit F i g. 4 ein Spannungs-Zeitdiagramm zur Erläuterung

der einen Drosselspule (10) verbundenen gesteuer- 35 der Wirkungsweise des Ausführungsbeispiels nach

ten Gleichrichter (1, 3) einerseits und die mit der Fig.3,und

anderen Drosselspule (11) verbundenen Gleichrich- F i g. 5 das Schaltbild einer Abart des Ausführungsbei-

ter (2,4) andererseits ansteuert spiels nach F i g. 3.

2. Frequenzumformer nach Anspruch 1, dadurch Der Frequenzumformer nach Fig. I enthält vier gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz des 40 gesteuerte Gleichrichter 1, 2, 3 und 4 in Form von Ausgangsresonanzkreises (12 bis 16) mit den gesteuerten Halbleitergleichrichtern oder Thyristoren unterschiedlichen Drosselspulen (10,11) höher ist als und einen Generator 7. der über Transformatoren 8 und das 1,4fache der Frequenz der Ausgangswechsel· 9 diese Gleichrichter entsprechend einer gewünschten spannung. Ausgangsfrequenz feuert

45 Die gesteuerten Gleichrichter 1 bis 4 liegen in einer Gleichrichterbrücke mit zwei Gleichstromkreisen, die je aus zwei miteinander in Reihe und in derselben