DE1906432A1

DE1906432A1 - Umwandler fuer elektrische Leistung

Info

Publication number: DE1906432A1
Application number: DE19691906432
Authority: DE
Inventors: Kelley Jun Fred William
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1968-02-12
Filing date: 1969-02-08
Publication date: 1969-09-18
Also published as: FR2001775A1; GB1261733A; US3519915A

Description

Umwandler für elektrische Leistung

Die Erfindung betrifft Umwandler für elektrische Leistungen, insbesondere statische Umwandler des Typs, wie er in dem US Patent 3 242 415 offenbart ist. Die Herstellung solcher statischen Umwandler, ihre Betriebsweise und ihre Vorteile sind in der auf die Anmelderin übertragenen schwebenden US Patentanmeldung Serial Nr. 459 225 von Mapham et al, hinterlegt am 27. Mai 1965 voll beschrieben worden. Diese angeführte Patentanmeldung bezieht sich auf gewiss© verbesserte Merkmale solcher Umwandler, während die vorliegende Erfindung auf weitere Verbesserungen dieser Umwandler gerichtet ist.

Die hier in Betracht gezogenen Umwandler sind für die Versorgung von Verbrauchern wie Fluoreszenzleuchten oder induktiven Erhitzern Q mit elektrischer Wechselspannungsleistung in Form von Sinussehwin-

<° gungen hoher Frequenz besonders geeignet. Beispielsweise können bei co

ca> einer elektrischen Beleuchtung als Verbraucher Kurzschlüsse von Lei-

-^. tung zu Leitung oder von einer Leitung nach Erde in irgendeiner der ^ parallelen Zweigleitungen der Last auftreten. Vorzugsweise sollte <° der Umwandler weiter in Betrieb bleiben, während ein solcher Fehler

"•-3 ."■■<-■"' - . ■

durch örtliche Schutzmittel in dem betroffenen Leitungszweig beho-₍ ten wird, wodurch die intakten Leitungszweigfe aj

ORIGINAL INSPECTED

stromlos gemacht werden. Demgemäß ist es eine Aufgabe der vor~ liegenden Erfindung eine Umwandlersehaltung anzugeben, die zu dieser erwünschten Betriebsweise in der Lage ist.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht ^n der Verbesserung von an sich bekannten" Umwandlern bezüglich ihrer Zuverlässigkeit im Falle von Fehlern in der Belastungsschaltung und bezüglich ihrer Unempfindlichkeit gegenüber vorübergehenden Störungen,

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, die Kosten" zu verringern und die Arbeitsweise eines Umwandlers für elektrische Leistung zu verbessern, der eine gut geregelte, im wesentlichen sinusförmige Ausgangsspannung hat".

In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Aüsgangsanschlüsse des Umwandlers umschlossen durch die -Eingangswicklung eines Transformators mit zwei gleichartigen Äusgangswieklungen zwischen denen ein Spartransformator angeordnet ist. Die Windungen des Spartransformators haben"die gleiche Windungszahl und einen gemeinsamen geerdeten Anschlußpunkt■„. Sie werden jeweils mit den gleichartigen Ausgangswicklungen verbunden und die durch den Umwandler versorgte"Belastungsschältung ist über diese beiden Ausgangew-icklungen geschaltet.,: Der Spartransformator wird durch Kompensationsmittel in-Form-von reihengeschalteten Kondensatoren überbrückt»

Vorzugsweise sind die statischen ■Schaltereleme.nte. des Umwand-, le-rs in einer'Brückenanordnung verbunden und werden bei..-einer -. ..-;.". relativ hohen vorbestimmten Frequenz betrieben-,, beispielsweise-.". 3333 Hertz. Die Resonanzfrequenz jeder der beiden Se.riensch.wing>",. kreisschal tungen im .unbelasteten Zustand .(eine- Induktivität;-In-- \^: Reihe mit den jeweiligen Se hai te releiaesa te«..- ®nü ©ine Kapasitlt .-: parallel zu der Belastungsscnal'tung>^:wlrd so ausgewählt^'d^i,,;, sie das etwa 1"; 65«*f ach®, dieser'·■ vorbeafciajiBtan Frequenz,-fee trägt»" der hehre der asaviar-'angeführten Vß ■ et" al sind die- paare, von""ind^t-iv« SchwingkreissQ-haltung miteinaside-p gekoppelt

Γ liegenden Erfindung umfaßt der gemeinsame Kern für diese EIeseeaie Zwei Schenkel mit annähernd gleichen Querschnittsabmeseungen und ein die beiden Schenkel kurzschließendes Brücken- ;('"- glied mit wesentlich kleinerer Querschnittsfläche.

Aue der folgenden Beschreibung und den Abbildungen wird die Erfindung und iiire verschiedenen Aufgaben und Vorteile besser verständlich.

Figur 1 let eine schematische Schaltzeichnung eines Umwandlers

für elektrische Leistung, welcher die erfindungsgemäßen '-■■■'.. Verbesserungen beinhaltet.

Figur 2 1st eine vereinfachte Wiedergabe eines magnet is Ie rbaren Kernes, gemäß einer bevorzugten Ausftihrungsform der Erfindung.

Figur 3 let eine schematische Schaltzeichnung einer typischen Belastungsschaltung, die durch einen verbesserten Umwandler gemäß der Erfindung in vorteilhafter Weise mit elektrischer Leistung versorgt werden kann.

Figur 1 zeigt einen statischen Umwandler zur Umwandlung elektrischer GrIeichstromleistung in Wechselstromleistung. Der Umwandler ist mit zwei Eingangsanschlüssen 13 a und 13 b für Gleichspannung ausgestattet, die so eingerichtet sind, daß sie durch den positiven bzw. negativen Pol jeder geeigneten Gleichstromquelle mit elektrischer Leistung versorgt werden können und weist zwei Ausgangsanschlüsse 14 «und 14 b für Wechselspannung auf, die»durch die Eingangswicklung 35 ρ eines Lasttransformators 35 umschlossen werden, dessen Sekundärwicklung ihrerseits mit einer Lastschaltung 11 für Einphasen-Wechselstrom verbunden ist.

Die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse des Umwandlers sind in der Schaltung untereinander durch Mittel verbunden, welche

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OR(GiNAL INSPECTED

einen ersten Leitungsweg für Wechselstrom mit zwei in Reihe zueinander geschalteten Abschnitten 16 a und 16 b und einen zweiten oder komplementären Leitungsweg für Wechselstrom'mit-/ zwei in Reihe geschalteten Abschnitten 17 a und |7 b einschließen. Wie aus der Figur 1 ersichtlich, wird der Abschnitt 16 a aus der Reihenschaltung eines Schalterelementes S 1 und eines Induktivitätselementes 18 a gebildet und verbindet den relativ positiven Eingangsanschluß 13 a mit dem ersten Ausgange.-, anschluß 14 a. Der zugehörige Abschnitt 16 b, welcher ein zweites Schalterelement S 1 in Reihe mit einem ähnlichen Induktiv!- tätselement 18 b enthält, verbindet den zweiten Ausgangsanschluß 14 b mit dem relativ negativen Eingangsanschluß 13 b. Der Abschnitt 17 a des zweiten Weges wird aus einem Schalterelement S 2 in Reihe mit einem Induktivitätselement 19 a gebildet und verbindet den relativ negativen Eingangsanschluß 13 b mit dem Ausgangsansehluß 14 a des Umwandlers, während der zugehörige Abschnitt 17 b, der ein gleichartiges Schalterelement S 2 in Reihe mit einem anderen Induktivitätselement 19 b enthält, den zweiten Ausgangsansehluß 14 b mit dem positiven Anschluß 13 a verbindet. _ - _:-

In der oben beschriebenen Brückenänordnung läßt der erste Weg 16 a, 16 b, wenn beide Schalterelemente Sl in ihrem stromdurchlassenden Zustand sind, den Strom aus der Quelle über die Eingangsanschlüsse 13 a, 13 b in einer gegebenen " Vorwärts-" Richtung" bezüglich der Transförmatorwicklung 35 p, welche die Ausgangsanschlüsse 14 a, 14 b umschließt, fließen. Andererseits läßt der zweite Weg 17 a, 17 b, wenn beide Schalterelemente S den Strom durchlassen, den Strom aus der Quelle in der entgegengesetzten oder "umgekehrten" Richtung durch die Transformatorwicklung 35 ρ fließen. Um "die Phasenverschiebung durch Oberwellen zwischen der der Wicklung 35 ρ aufgeprägten. Spannung und der Spannung der Stromquelle auf ein Minimum zu senken, ist diese Wicklung 35 "p mit einem Mittelabgriff ausgestattet, welcher mit dem Mittenpunkt 21 einer Reihenschaltung von zwei oder mehl* Kondensatoren 22 verbunden ist, die, wie gezeigt, über die Eingangsanschlüsse 13 a und 1.3 b für Gleichspannung geschaltet sind,

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In jedem der komplementären Wege 16 und 17 gibt es eine Gesamtinduktivität von L Henry, die gleichmäßig zwischen den jeweils in den beiden gleichartigen Abschnitten des Weges angeordneten Induktivitätselementen aufgeteilt ist. Zur Vervollständigung der Umwandlerschaltung befindetsich eine Kapazität von C Farad in Parallelschaltung zur Last, welche über die Ausgangsanschlüsse 14 a und 14 b geschaltet ist. Diese Kapazität könnte entweder die Form eines einzigen Kondensatorblockes von C Farad zwischen den Anschlüssen 14 a und 14 b haben, oder wie in Figur 1 gezeigt, aus einer äquivalenten Anordnung von zwei Paaren kleinerer Kondensatoren 20 a und 20 b bestehen, die jeder einen Kapazitätswert von 0,5 C Farad haben, wobei die Kondensatoren 20 a jeweils über die beiden Abschnitte 16 a und 1.6 b des ersten Stromweges für Wechselstrom und die Kondensatoren 20 b jeweils über die beiden Abschnitte 1.7 a und 17 b des komplementären Weges geschaltet sind. Durch geeignete Steuerung des Betriebes der in zwei Richtungen stromdurchlassenden Schalterelemente S 1 und S 2 in den jeweiligen Stromwegen 16 und 17 und durch Auswahl der Parameter der reaktiven Elemente wird der dargestellte Umwandler so arbeiten, daß er an seinen Ausgangsanschlüssen eine Wechselspannung von im wesentlichen sinusförmiger Wellenform über einen relativ breiten Bereich der LastSchwankungen zwischen dem unbelasteten (Schaltkreis geöffnet) und dem vollbelasteten Zustand (bei kleinster angeschlossener) Lastimpedanz erzeugt.

In der hier vorgesehenen Betriebsweise werden die Schalterelemente S 1 in den Abschnitten 16 a bzw* 16 b, welche den vorgenannten ersten Weg bilden, beide gleichzeitig mit einer vorgegebenen Arbeitsfrequenz f* aus dem nicht-stromdurchlässigen (hohe Impedanz) in den stroradurchlässigen (vernachlässigbare Impedanz) Zustand geschaltet. Beide Schalterelemente S 2 in den Abschnitten 17 ä bzw. 17 b des zweiten Weges werden in der Mitte zwischen aufeinander folgenden Arbeitspunkten der Schalterelemente S 1 in den stromleitenden Zustand geschaltet. Die Reihen-Schwingkreisschaltung, die aus der Parallelkombination der beiden Kondensatoren 20 a und 20 b in Reihe mit den beiden Induktivitätselementen 18 a und 18 b (oder 19 a und 19 b) gebildet

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wird, wenn nur einer der komplementären Stromwege stromführend ist, ist so abgestimmt, daß ihre Resonanzfrequenz f_o (1/27Γ-im unbelasteten Zustand zwischen dem einfachen und dem zweifa-. chen Wert der Arbeitsf requenz f. liegt. Daher führt jeder Weg einen Wechselstrom mit" einer .Periode, die kürzer als 1/f. aber länger als 1/2 f. ist. Die Schalterelemente S 1 bzw, S 2 sind jeweils so angeordnet, daß sie nach einem Intervall des Stromdurchlasses, welches gerade gleich der vollen Scnwingungsperiode dieses Wechselstroms ist, wieder in den nicht-stromdurchlässigen Zustand zurückgehen.

- ■ Bei der in dem vorgehenden Abschnitt beschriebenen Arbeitsweise fließt in dem ersten Weg 1.6 a, 16 b bereits ein entgegengesetzter Strom in dem Augenblick, in dem die Schalterelemente S 2 des komplementären Weges 17 a und 17 b in den stromdurchlässigen .Zustand geschaltet werden. In ähnlicher Weise fließt ein Strom in Vorwärtsrichtung in dem letztgenannten Weg in dem Augenblick, in dem die Schalterelemente S 1 des ersten Weges in ihren stromdurchlässigen Zustand geschaltet werden. Daher überlappen sieh für einen begrenzten Teil jeder Halbperiode des Umwandlerbetriebes die stromdurchlässigen Zeiträume der beiden Wege'und während dieser Überlappung sind die einzelnen Wechselströme gleichsinnig gerichtet. Die Summe der Ströme in den jeweiligen Wegen λ wird der Eingangswicklung 3 5 ρ des Lasttransformators in Kombi-' nation mit den parallelen KondensatormitteIn zugeführt.

Die in zwei Richtungen stromleitenden SchalteAemente S 1 und S 2 können jeden geeigneten konstruktiven Aufbau aufweisen, welcher für den Betrieb in der vorbeschriebenen Weise geeignet ist, Zur besseren Darstellung wird jedes Schalterelement als ein gesteuerter Festkörpergleichrichter gezeigt, der durch eine entgegengesetzt gepolte, den-Lastström tragende HilfS-Leistungsdiode überbrückt ist. Der gesteuerte Gleichrichter kann durch _v Anregung seiner Steuerelektrode mit einem Steuerimpuls in den stromdurchlässigen (eingeschalteten) Zustand geschaltet werden. Irgendeine geeignete Trigger-Schaltung kann verwendet werden,' um eine Aufeinanderfolge von Steuerimpulsen oder.eine Impulsfolge

zu erzeugen, um wechselweise die gesteuerten Gleichrichter der Schalterelemente S 1 bzw. S 2 mit der vorgegebenen Arbeitsfrequenz fj einzuschalten. Typische Schaltungen für diesen Zweck sind zu entnehmen aus Kap. 5, Seite 190 bis 247 des Buches "Semiconductor controlled rectifiers" (gesteuerte Halbleiter-Gleichrichter) von P.E. Gentry et al (Prentice-Hall, Englfewood Cliffs, Ν,Υ. 1964(. Einmal eingeschaltet, wird jeder gesteuerte Gleichrichter bis zum Ende der ersten Halbperiode des Wechsel-Stromes in dem zugehörigen Weg eingeschaltet bleiben und die Umschaltung findet statt, während die parallel liegende Diode die dftrauf folgende entgegensetzt gepolte Halbperiode leitet.

Der Fachmann wird erkennen, daß für relativ hohe Strom- oder Spannungsbelastungen des Umwandlers eine Vielzahl von gleichzeitig betriebenen gesteuerten Gleichrichtern parallel oder in Reihe miteinander in jedem der Schalterelemente Sl und S 2 angeordnet sein.kann. Wenn gewünscht, können in jedem Schalterelement weniger Hilfsdioden als gesteuerte Gleichrichter verwendet werden. Um die maximale Anstiegszeit der Spannung anjedem der Schaltereleraente S 1 und S 2, wenn die Hilfsdiode dieses Elementes aufhört den Strom zu leiten, zu begrenzen, ist es wünschenswert, im Nebenschluß mit jedem Element eine "dv/dt-Unterdrückungsschaltung", welche als "Dämpfer" "snubber" bekannt ist, zu schalten. Eine verbesserte Form dieser Schaltung wird in der auf die Anmelderin der vorliegenden Patentanmeldung über- (

tragenen schwebenden US Patentanmeldung Serial Nr. 662 642 von Kelley et al, hinterlegt am 23. August 1967, beschrieben.

Solange die beiden Schalterelemente S X gemeinsam betrieben werden, werden die beiden Induktivitätselemente 18 a und 18 b, die mit dem ersten Weg 16 a, 16 b verbunden sind, den gleichen Strom führen und werden gleichzeitig ähnliche Spannungen erzeugen. Das gleiche gilt für die beiden Induktivitätselemente 19 a und 19 b in dem komplementären Weg 17 a und 17 b. Daher können gemäß der zuvor genannten Patentanmeldung von Mapham et al die vier getrennten Induktivitätselemente in zwei unabhängige Paare von untereinander gekoppelten Induktivitäten vereinigt

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werden. Jedes Paar verwendet die Wechselinduktion zwischen seinen beiden Teilen, um den erforderlichen Induktivitätswert (L) zu erzeugen, wodurch die Einzelinduktivität jedes der jeweiligen Elemente von 0,5 L auf 0,25 L reduziert werden kann. Dies verkleinert vorteilhafter Weise die Größe dieser Komponenten und verringert dadurch die Kosten.

Figur 2 illustriert einen bevorzugten Weg zur Erreichung der magnetischen Kopplung zwischen den Elementen 19 a und.19 b. Man wird verstehen, daß die Struktur des anderen Paares-18 a und 18 b die gleiche ist. In Figur 2 sind die beiden Elemente 19 a und 19 b als Mehrfachwindungsspulen gezeigt, welche auf einem gemeinsamen Kern 19 c magnetisierbaren Materials angeordnet sind. Der Kern 19c hat zwei Schenkel 23 und 24 von annähernd gleichen Querschnittsabmessungen und jeder Schenkel einen in der Mitte-Marin angeordneten schmalen Luftspalt. Die Spule 19 a umschlingt den Schenkel 23 und überdeckt den darin befindlichen Luftspalt. Die Spule 19 b umschlingt den Schenkel 24 und überdeckt dessen Luftspalt. Gemäß der Erfindung werden die beiden Schenkel 23 und 24 des Kernes 19 c durch eine ferromagnetische Brücke 25 von beträchtlich kleinerer Querschnittsfläche kurz geschlossen. Unter beträchtlich kleiner 1st weniger als 1/5 der Querschnittsfläche des Schenkels zu verstehen. Praktisch wurde herausgefunden, daß 1/10 der Fläche ausreicht. Der Zweck der Brücke 25 wird im folgenden erläutert..

Obwohl sie gleichzeitig geschaltet werden, weisen die in den beiden gleichartigen Abschnitten 17 a und 17 b demselben Weges verwendeten gesteuerten Gleichrichter wahrscheinlicR genau die gleiche Schaltcharakteristik auf. Im be son deren, kann eines der Schalterelemente S 2 eine geringfügig längere Einschaltzeit > als das andere haben. Ein solcher asymmetrischer Betrieb der Schalterelemente neigt dazu, die Wellenform der Ausgangsspannung des Umwandlers in unerwünschter Weise zu verzerren und die Verteilung der Spannung auf die gesteuerten Gleichrichter aus dem Gleichgewicht zu bringen. Die Tatsache, daß, bevor der langsamere gesteuerte Gleichrich^beginnt Strom zu führen,

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nur eine Hälfte der gesamten Windungen der Spule 19 a und 5 9b wirksam ist, nÄigt dazu, diese Asymmetrie zu verschlimmeen. Als Folge davon ist eine geringere als die normaler Induktiv!- .tat in Reihe mit dem zuerst eingeschalteten Gleichrichter vorhanden und sein Anodenstrom kann mit einer übermäßigen Geschwindigkeit ansteigen.

Um diesen Zustand zu korrigieren und richtige Induktionswerte trotz asymmetrischen Betriebes der Schalterelemente zu gewährleisten, wurde die oben beschriebene Brücke 25 eingefügt. Die Brücke 25 bietet einen bevorzugten Weg für eine gegebenenfalls existierende Differenz des magnetischen Flusses zwischen den beiden Spulen 19 a und 19 b. Jeweils dann, wenn nur eines der zusammengehörigen Schalterelemente Strom führt, schließt die Brücke einen der beiden Luftspalte in den Schenkeln 23 und 24 kurz und verdoppelt dadurch zeitweilig den Induktivitätswert, den die mit dem stromführenden Element verbundene Spule sonst aufweisen würde, tia die Brücke nur erforderlich ist, um die Differenz des magnetischen Flusses aufzunehmen, welche im schlimmsten Falle viel geringer ist als der Fluß? der erzeugt wird, wenn die Spulen 19 a und 19 b den Spitzenstrom bei voller Belastung führen, kann der Querschnitt relativ gering sein.

Figur 3 zeigt symbolisch eine typische Belastungsschaltung 11 für den Umwandler der Figur 1. Eine Vielzahl von elektrischen Wechselspannungsverbrauchern 30 sind parallel zu einem Verteilersystem geschaltet, welches zwei Leitungen 31 und 32 mit Anschlußpunkten 31 a und 32 a umfaßt, welche ihrerseits so eingerichtet sind, daß sie über den Lasttransformator 35 mit den Ausgangsanschlüssen 14 a und 14 b des Umwandlers verbunden werden können. Die angeschlossene Belastungsimpedanz soll angenommenerweise durch einen voreilenden Verlustwinkel von etwa 0,7 charakterisiert sein. Entsprechend der technischen Lehre der zuvor beschriebenen schwebenden Patentanmeldung von Mapham et al wird in Reihe mit der Last ein Kondensator-Kompensationsmittel 37 (siehe unten) eingeschaltet, wodurch die Größe der an den Anschlußpunkten 31 a und 32 a der Belastungsschaltung anlie-

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genden Spannung über einen weiten Bereich von Lastschwankungen fast konstant bleibt.

Wie man aus Figur 3 ersieht, sind die jeweiligen Verbraucher einzeln in geerdeten Fassungen 34 befestigt und sind mit den Leitungen 31 und 32 durch zweipolige Schaltungsschutzanordnungen 33 elektrisch verbunden. Diese Schutzanordnung 33 ist in der Lage, automatisch den Schaltungszweig, in den sie geschaltet ist, zu öffnen und dadurch die zugehörige Last von dem Verteilersystem abzutrennen, durch ein verzögertes Ansprechen auf abnormal hohen Stromfluß. Ein abnormal hoher Stromfluß könnte das Ergebnis eines Fehlers awischen der Leitung und Erde, wie in F- der Figur 3 gezeigt, oder eines Fehlers von Leitung zu Leitung, wie bei Fg angezeigt, sein. In jedem Falle sollt© der Betrieb des Umwandlers gegen solche Störungen unempfindlich sein, so daß die Stromversorgung zu den intakten Zweigen des Verteilungssystems nicht unnötigerweise unterbrochen wird. ·

Erfindungsgemäß wird die Zuverlässigkeit des Umwandlers während des Zustandes eines Fehlers zwischen Leitung und Erde verbessert durch Aufteilung der Ausgaiigsseite des LasttransfOrmators 35 in zwei identische getrennte Wicklungen 35 a und 35 b, und durch eine leitende Verbindung dieser beiden gleichen Ausgangswicklungen mit den Lastanschlußklemmen 31 a und 3£ b in Reihe miteinander und mit einem dazwischen angeordneten Spar- ■ transformator 40. Der Spartransformator 40 entsprechend Figur

ist mit Primärwicklungen uh#Sekundärwicklungen von etwa gleicher Windungszahl versehen und einem gemeinsamen Anschlußpunkt 41. Wie man aus den Figuren 1 und 3 ersieht, ist der gemeinsame Anschlußpunkt 41 geerdet, um einen geerdeten Massepunkt für das Lastverteilersystem zu schaffen. Eine der Wicklungen des Spartransformators ist mit der Ausgangswicklung 35 a des TrasiB-formators 35 verbunden .und* die andere ist mit der Ausgangs·= wicklung 35 b verbunden. Ein. Kondensator.37* welcher das oben erwähnte Mittel zur Kompensation durch in Reihe geschalteteKon- _: densatoren umfaßt „ ist zwischen- die Äiisgangswlekluxigsa > 35 b im Nebenschluß seam Spartransforiastor SO geschaltet.,

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Die Funktion des Spartransformators 40 besteht darin, die Größe des Erdungsstromes im Falle eines Fehlers F₁ zu regeln, so daß die Umschaltung des Umwandlers nicht gehemmt wird. Infolgedessen kann der Umwandler weiterarbeiten, während der Schutz 33 für die betroffene Zweigleitung auf den Fehler anspricht. Die Stre» induktivität der Wicklungen des Spartransformators wird verwendet, um den Strom zwischen einer Leitung und Erde zu begrenzen. Der Wert für diesen Parameter wird so ausgewählt, daß der Laststrom daran gehindert wird, die zulässigen Uberlastungswerte des Umwandlers zu übersteigen, wenn ein Erdungsfehler F-auftritt, wobei trotzdem in dem fehlerhaften Zweig des Verbrauchers der Strom genügend weit über den normalen Wert an- | steigt, um die dortige Schutzvorrichtung 33 auszulösen. Man wird bemerken, daß die normale Resonanzfrequenz f der Umwandle rsc haltung dazu neigt, sich infolge der Streuinduktivität des Spartransformators, welche dann in Reihe mit dem Kompensationskondensator 37 liegt, während des Zustandes eines Fehlers von Leitung nach Erde leicht zu ändern.

Im Falle des Zustandes eines Fehlers von Leitung zu Leitung (Fg) werden die Verbraucheranschlüsse 31 a und 32 a kurzgeschlossen und die einzige an den Ausgangsanschlüssen des umwandlers anliegende Lastimpedanz ist die Impedanz des Kompensationskondensators 37. Infolgedessen wird die in Reihe mit den Induktivitäten in den jeweiligen Schwingkreisschaltungen des Umwandlers lie- { geηde Kapazität merklich erhöht. Dies kann sofort die Resonanzfrequenz f_Q um einen Faktor herabsetzen, welcher angenährt J./2 ist, und dadurch den Betrieb des Umwandlers gefährden, bevor die betroffene Schutzvorrichtung 33 Zeit hat, den fehlerhaften Zweig des Verbrauchers abzutrennen. Um unter diesen Umständen ein vorzei-tiges Versagen ("Durchschießen") des Umwandlers zu vermeiden, werden die Schwingkreisschaltungen auf eine Resonanzfrequenz f ohne Last eingestellt, welche etwa das 1,65-fache der Betriebsfrequenz f± des Umwandlers ist. Als Ergebnis bleibt das Verhältnis von f zu f. oberhalb etwa 0,8 im Falle des be-

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schriebenen"Fehlers F₂; dieses Verhältnis ist fast der praktisch mögliche Mindestwert, bei dem die Schalterelemente des Umwandlers noch in der Lage sind, den Fehlstrom verläßlich umzuschalten.

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Das Verhältnis für f zu f. von 1,65 ist höher als das in der zuvor angegebenen Patentanmeldung von Mapham et al angebene Vephältnis von 1,35 und wird verwendet unter Inkaufnahme eines größeren Oberwellengehaltes in der Ausgangsspannung. Jedoch wird diese Verschlechterung in dem sinusförmigen Charakter der Spannung durch eine Anzahl von Vorteilen ausgeglichen. Das höhere

r ■ . -

Verhältnis fördert die Zuverlässigkeit unter den oben erklärten abnormalen Bedingungen. Zusätzlich dazu verringert es noch die Ansprechzeit des Umwandlers auf vorübergehende Störungen im Falle gewisser zu erwartender Störungen. Wenn beispielsweise der Umwandler gestartet wird, entweder unbelastet oder vollbe— ™ lastet, dann werden die Wellenformen für Strom und Spannung ihren Normalbetriebszustand innerhalb der ersten Periode der Ausgangsspannung einnehmen. Weiterhin werden, wenn der Umwandler unbelastet und mit max. Spannung arbeitet, die Wellen- '^! formen des Stromes und der Spannung ihren Normalbetriebszustand in weniger als 1,5 Perioden nach dem Anlegen der vollen Last erreichen.

Für eine gegebene Arbeitsfrequenz und eine gegebene Größe der Ausgangsspannung verringert das höhere Verhältnis von f_Q zu f. ebenfalls die durchschnittliche Größe des Stromes in den gesteuerten GIeichrichtern der Schalterelemente S 1 und S 2 und α. verringert die sprunghafte Größe der "Vorwärtsspannung", welche abrupt an jeden gesteuerten Gleichrichter angelegt wird, wenn seine parallele Diode periodisch aufhört den Strom zu leiten. Durch die Verwendung des Verhältnisses 1,65 wird die letztgenannte Spannung unter Leerlaufdauerbetriebsbedingungen auf einen Wert, welcher weniger als 70 % des Wertes beträgt, den man bei einem Verhältnis I,35 erhält, verringert. Dies ergibt einen merklichen Gewinn in der Leistungsfähigkeit, weil die y - ■ elektrischen Leistungsverluste in den über den Schalterelementen Sl und S 2 geschalteten Dampferschaltungen sich stärker als die zweite Potenz der Größe der Stufenspannung erhöhen.

Obwohl eine vorzugsweise Ausführungsform der Erfindung als Bei- * spiel dargestellt und beschrieben wurde,"wird zweifellos der

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Fachmann viele Modifikationen erkennen. Beispielsweise können die dem Spartransformator 40 zuzuschreibenden Vorteile in Verbindung mit anderen Umwandlerschaltungen realisiert werden,
welche kapazitive Reihenkompensation verwenden oder eine kapazitive Ankopplung an die Last.

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Claims

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Ansprüche

Ctλ Umwandler für elektrische Leistung, umfassend EingangsaiM " Schlüsse für Gleichspannung zum Anschluß an eine Gleicnstrok-^ ^rX-queHe, Ausgangsanschlüsse für Wechse!spannung zürn Anschluß an eine Verbraucherschaltung für Wechselstrom, abwechselnd"^J* ■ gezündete, die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse miteinander verbindende, Schalterelemente, d a d u r c h g e k ern'tf"·^" ζ ei c h η et, daß effektiv mit der Verbraucherschaltung parallel"geschaltete Kapazitäten und Einzel induktivitäten^ welche jeweils mit den Schalterelementen in Reihe geschaifet sind und mit den Kapazitäten ein Komplementäres Paar von Schwingkreisschaltungen bilden, von denen jede auf eine Frequenz abgestimmt ist, die zwischen dem einfachen und dem doppelten Wert der Frequenz liegt, mit der diese Elemente gezündet werden,und umfaßt: -

(a) einen Transformator mit einer Eingangswicklung und zwei gleichen aber getrennten Ausgangswicklungen, wobei diese Eingangswicklung die Ausgangsanschlüsse des Umwandlers umschließt;

(b) Leitermittel zur Verbindung beider Ausgangswicklungen und der Belastungsschaltung in einer Serienschaltung;

(c) wobei diese Leitermittel einen Spartransformator mit Primär- und Sekundärwicklungen von etwa gleicher Windungszahl und'einem gemeinsamen geerdeten Anschlußpunkt einschließen und dieser Spartransformator zwischen den Aijsgangswicklungen angeordnet " ist und die Primärwicklung mit einer der Aüsgangswickluhgen und die Sekundärwicklung mit der anderen Ausgahgswicklung verbunden iSt. - . : ,-■
2. Umwandler nach Anspruch 1 , da d u r c h ge ken η— ζ e ic h η e t, daß im Nebenschluß zu dem Spartransformator ein Kondensator zwischen den Ausgangswicklungen geschaltet ist. ... - ■'■■■■.'■-"■■■"'■■^:- \~;^;: '

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3. Umwandler nach Anspruch 1, dadurch geke η nzeichnet, daß die Eingangswicklung einen Mittelabgriff abweist, der mit dem Mittenpunkt einer über die Eingangsan-BChlüsse des Umwandlers geschalteten Serienschaltung von Kondensatoren verbunden ist.
4. Umwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Nebenschluß mit dem Spartransformator ein Kompensationskondensator zwischen die Ausgangswicklungen geschaltet ist.
5. Ein elektrischer Leistungswandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er Komplementäre erste und zweite Leitungswege für Wechselstrom besitzt, wobei jeder Weg zwei Schalterelemente und ein Paar von induktiven Elementen einschließt, die auf einem gemeinsamen magnetisierbaren Kern angeordnet sind und der erste Weg in zwei einander entsprechende Abschnitte unterteilt ist, die den positiven Eingangsanschluß mit dem ersten Ausgangsanschluß bzw. den zweiten Ausgangsanschluß mit dem negativen Eingangsanschluß verbinden, und der zweite Weg in zwei einander entsprechende Abschnitte unterteilt ist, welche den positiven Eingangsanschluß mit dem zweiten Ausgangsanschluß bzw. den ersten Ausgangsanschluß

mit dem negativen Eingangsanschluß verbinden, wobei jedes Paar |

von induktiven Elementen in Reihe mit Kapazitätsmitteln eine Schwingkreisschaltung bildet, die auf eine Frequenz zwischen der einfachen und der doppelten Frequenz abgestimmt ist, mit der die jeweiligen Schalterelemente des ersten und zweiten Leitungsweges abwechselnd vom nicht-stromdurchlässigen zum stromdurchlässigen Zustand geschaltet werden, wobei der magnetisierbare Kern für jedes Paar von induktiven Elementen umfaßt:

(a) zwei Schenkel von annähernd gleichen Querschnittsabmessungen, wobei jeder dieser Schenkel einen Luftspalt aufweist und jedem Schenkel ein anderes de*· beiden induktiven Elemente des korrespondierenden Paares zugeordnet ist; und

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(b) eine Brücke von wesentlich kleinerem Querschnitt im Nebenschluß mit diesen Schenkeln, wobei diese Brücke einen Weg für die gegebenenfalls bestehende Differenz des magnetischen Flußes zwischen diesen induktiven Elementen bildet.
6. Umwandler nach Anspruch 5, d ad u" r c h g e k e η η —-zeichne t, daß jedes Paar von induktiven Elementen erste und zweite Spulen von annähernd gleicher Windungszahl umfaßt, wobei diese erste Spule einen Schenkel des gemeinsamen Kernes ; umschlingt und den darin befindlichen.Luftspalt überdeckt und die zweite Spule den anderen Schenkel des Kernes umschlingt und

W den dort vorhandenen Luftspalt überdeckt.
7. Umwandler nach Anspruch 5, d a du r c h g e k en η —. zeichnet, daß die Ausgangsanschlüsse mit der Last mit Hilfe der folgenden Komponenten verbunden sind:

(c) ein Transformator mit einer Eingangswicklung und zwei gleichen Ausgangswicklungen, wobei die Eingangswicklung, zwischen den ersten und den zweiten Ausgangsanschluß geschaltet ist, und

(d) Leitermittel zur Verbindung beider Ausgangswicklungen des Transformators und der Last in Serienschaltung miteinander;

(e) wobei diese Leitermittel einen Spartransformator mit Primär- und Sekundär-Wicklungen von annähernd gleicher Windungszahl, und einem gemeinsamen geerdeten Punkt einschließen und der Spartransformator zwischen den Ausgangswicklungen des Transformators angeordnet ist und die Primärwicklung mit einer der. Aus— gangswicklungen und die Sekundärwicklung mit der anderen Ausgangswicklung verbunden ist. . .-.-■■"-■-
8. Umwandler nach Anspruch 7, dadurch ge ken η zeichnet, daß jede Sc'hwingkreisschaltung auf eine Frequenz abgestimmt ist, welche etwa das 1,65-fache der Schaltfrequenz der Schalterelemente beträgt. '

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9. Umwandler nach Anspruch 5, dadurch ge ken nz e ic h η e t, daß jede Schwingkreisschaltung auf eine Frequenz abgestimmt ist, die etwa das 1,65-fache der Schaltfrequenz der Schalterelemente beträgt.
10. Elektrischer Leistungsumwandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:

(c) Kapazitätsmittel mit einer Kapazität von C Farad effektiv in Parallelschaltung mit den Ausgangsanschlüssen;

(d) Mittel zur elektrischen Verbindung der Eingangs-und Aus- ύ gangsanschlüsse untereinander, wobei diese Verbindungsmittel komplementäre erste und zweite Stromwege für Wechselstrom einschließen und jeder der Wege einzelne Induktivitäten von L Henry in Reihe mit in zwei Richtungen stromleitenden Schalterelementen enthält, wobei der erste Weg so ausgelegt ist, daß Strom von der Quelle in einer gegebenen Vorwärtsrichtung bezüglich der Ausgangsanschlüsse fließen kann und der zweite Weg so ausgelegt ist, daß Strom von der Quelle bezüglich der Ausgangsanschlüsse in einer entgegengesetzten Richtung fließen kann; .

(e^ wobei die jeweiligen Schaltermittel des ersten und zweiten

Weges abwechselnd geschaltet werden, mit einer vorbestimmten (

Betriebsfrequenz aus einem nicht-stramdurchlässigen Zustand in einen stromdurchlässigen Zustand und so angeordnet sind, daß sie nach dem Durchlaß einer vollen Periode des Wechselstroms

in den nicht -stromleitenden Zustand zurückgehen; .

(f) und die Größe von C und L so ausgewählt ist, daß der Wert 1/3/T^-VEv¹ etwa das 1,65-fache der vorbestimmten Betriebsfrequenz beträgt.
11. Umwandler nach Anspruch 10, dadurchgekennzeichnet, in dem eine Kapazität in Reihe mit dert-feschaltet und mit den Ausgangsanschlüssen gekoppelt ist.

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_ is - 19Q6A32-
12. Umwandler nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e η η ze ic h η e t, daß die Ausgangsanschlüsse mit der Last durch die folgenden Schaltungskomponenten verbunden sind:

(bl) ein Transformator mit einer Eingangswicklung und zwei gleichen Ausgangswicklungen, wobei die Eingangswicklung die Ausgangsanschlüsse des Umwandlers umspannt; und

(b2) Leitungsmittel zur Verbindung beider Ausgangswicklungen des Transformators und der Last in Serienschaltung miteinander;

(b3) wobei diese Leitungsmittel einen Spartransformator mit Primär- und Sekundär-Wicklungen von annähernd gleicher Windungszahl und mit einem gemeinsamen geerdeten Anschlußpunkt einschließen, und der Spartransformator zwischen den Ausgangswicklungen angeordnet ist und die Primärwicklung mit einer der Ausgangswicklungen und die Sekundärwicklung mit der anderen Ausgangswicklung verbunden ist..

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