DE2022214A1

DE2022214A1 - Hochfrequente Energiequelle

Info

Publication number: DE2022214A1
Application number: DE19702022214
Authority: DE
Inventors: Landis James Philipp
Original assignee: Pillar Corp
Current assignee: Pillar Corp
Priority date: 1969-05-09
Filing date: 1970-04-30
Publication date: 1970-11-12
Also published as: CA929223A; GB1302102A; JPS51693B1

Description

PILLAR CORPORATION, West Allis/Wisconsin - USA

Hochfrequente Energiequelle

Die Erfindung bezieht sich auf eine Energiequelle zum Liefern von Energie bei hohen Frequenzen.

Statische Schalter haben Vorteile, von denen einige deren Fähigkeit zum Arbeiten an großen Energien, hohe Lebensdauer, niedrige Anschaffungskosten und geringe Größe sind. Aus diesen Gründen sind diese statischen Schalter bei hochfrequenten Energiequellen sehr brauchbar. Unter den besseren statischen Schaltern sind diese die gesteuerten Halbleitergleichrichter, z.B. gesteuerte Silicon-Gleichrichter. Diese, im folgenden mit SCR bezeichneten Elemente haben wegen ihrer eigenen Einschaltcharakteristiken Grenzen sowohl in der Frequenz als auch Grenzen in der Fähigkeit, kurze Stöße hoher Energie zu verarbeiten, ohne beschädigt oder zerstört zu werden,, Besondere Bedeutung eines SCR ist das Abschalten, das durch das Tor nicht gesteuert wird. Dieses Abschalten erfördert entweder eine Umkehrvorspannung oder eine Begrenzung des Vorwärtsstromes. Es ist dieses Abschalten und die erforderliche Zeit, die sehr oft die maximale mit einer RSC-betriebenen Energiequelle erhältlichen Frequenzen bestimmen.

Deshalb wird eine Energiequelle vorgeschlagen, die statische Schalter in solcher Weise verwendet, daß die schaltenden Frequenzen beachtlich höher als die mit den einzelnen Schaltfrequenzen ex'haltenen sein können, um eine Energie zwischen einer Quelle und einer.Belastung verlusbarm zu übertragen.

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Die vorgeschlagene Energiequelle verwendet einen gesteuerten Gleichrichter in einer besonderen Weise, um Ausgangsfrequenzen zu erhalten, die wesentlich höher aind als die, bei denen der gesteuerte Gleichrichter betrieben v/erden kann.

jie Energiequelle soll vorteilhafterweise Elemente verwenden, die mehr als eine Funktion ausführen können, wodurch die Gesamtzahl der Elemente ohne Leistungsverringerung wesentlich herabgesetzt werden kann.

Ferner sollen in der Energiequelle bestimmte Elemente, bei denen Kurzschlüsse auftreten können und die Energiestöße verarbeiten können, so isoliert werden, daß diese Nachteile in keiner Weise die Arbeitsweise der Frequenz und Leistungsfähigkeit des Gerätes beeinflussen, und auch so geschützt sind, daß im Handel erhältliche Elemente benutzt werden können.

Zur Erläuterung der Erfindung dienen die Zeichnungen in Verbindung mit der folgenden Beschreibung. In den Zeichnungen sind:

Figur 1 eine schematische Darstellung der Energiequelle nach der Erfindung;

Figur 2 ein Diagramm der' Spannungs- und Stromverläufe an den einzelnen Punkten im Gerät nach Figur 1;

Figur 3 die schematische Darstellung einer Abänderung der Anordnung 'der Energiequelle nach Figur 1 ;

Figur 4 ein Diagramm der Spannungs- und Stromverläufe des Gerätes nach Figur 3;

Figur 5 eine schematische Darstellung zweier Geräte nach Figur 3 mit rückseitiger Verbindung zum Erhöhen der Ausgangsfrequenz;

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ORIGINAL INSPECTED

figur 6 ein Diagramm der Spannungs- und Stromverläufe des Gerätes nach Figur 5;

Figur 7 eine schematische Darstellung einer Energiequelle, in der Geräte nach Figur 5 parallel geschaltet sind, um die Ausgangsfrequenz weiter zu erhöhen; und

Figur 8 ein Diagramm der Spannungs- und Stromverläufe des Gerätes nach Figur 7·

Die Parallel-Resonanzschaltung 1o in Figur 1 wird im folgenden als Tank bezeichnet. Die Antriebssohaltung 12 liefert Energieimpulse zum Unterhalten der Schwingungen des Tanks 1o, wenn durch eine Belastung verbraucht wird»

Der Tank 1o ist ein induktives Heizgerät und verwendet somit eine Induktivität oder Heizspule 14- und einen veränderbaren Kondensator 16, der so eingestellt werden kann, daß er den Betriebsbedingungen entspricht. Der Wert der Induktivität und des Kondensators bestimmt die Resonanzfrequenz, bei der die Energiequelle betrieben wird. Ein Widerstand 18 stellt die Belastung dar, die die Energie verbraucht. Der Widerstand 18 ist an der Heizspule liegend dargestellt, er kann mit ihr aber auch in Serie liegen.

Der Tanktreiberkreis 12 enthält einen Energiespeicher, der ein einzelner Kondensator 2o sein kann. Wenn erforderlich, kann ein Satz Kondensatoren 2o verwendet werden, wie dies allgemein bekannt ist. Der Betrieb des Kondensators 2o, d.h. das Laden und Entladen wird durch eine Ladeschaltung 22 und eine Entladeschaltung 24 gesteuert. Die Ladeschaltung 22 und die Entladeschaltung 24 bringen das Liefern der im Kondensator 2o zum Tank 1ο gespeicherten Energie in eine zeitliche Beziehung, wie noch erläutert werden wird.

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Die Lade schaltung 22 liefert .Energie zum Laden des Kondensators 2o zur richtigen Zeit aus einer Gleichspannungsquelle 26. Diese ist als Batterie dargestellt, kann aber auch eine Wechselspannungsquelle in Verbindung mit einem Gleichrichter sein. Das Anschalten der Gleichspannungsquelle 26 an den Kondensator 2o ist die Funktion eines statischen Schalters, der als gesteuerter Halbleitergleichrichter 28, insbesondere gesteuerter Silicongleichrichter dargestellt ist, der im folgenden als »SCH bezeichnet wirdo Eine Induktivität Jo liegt zwischen dem SCR 28 und dem Kondensator 2o und dient zwei Funktionen,, Die Induktivität 3o ist mit dem Kondensator 2o verbunden und ergibt einen L-G-Kreis zum Steuern der Ladezeit des Kondensators 2o. Da die Kapazität des Kondensators 2o allgemein durch die Leistungsanforderungen der Belastung bestimmt ist, wird die Induktivität 3o so gewählt, daß sie die gewünschte Ladezeit ergibt. Zusätzlich erzeugt die Induktivität 3o bei Abnahme ihres Stromes eine EMK oder Selbstinduktion, da ihr zusammenbrechendes Feld größer als die Spannung der opannungöquelle ist und somit eine umgekehrte Vorspannung zum Kommutieren oder Abschalten des SCR 28 liefert. Das Einschalten des SCR 28 erfolgt durch eine Auslöseeinrichtung 32, die durch die erforderliche Frequenz bestimmt ist und ein üblicher Oszillator sein kann, der an das ;JCR-Tor zur gegebenen Zeit üJinschaltimpulse gibt.

Der Entladekreis 24 nach Figur 1 enthält einen SCR 34 und eine Induktivität 36. Räch dem Laden des Kondensators 2o wird der SCR 34 durch dieselbe Auslöseeinrichtung 32 gezündet, wobei angenommen wird, daß er besondere Impulse für die beiden SCR 28 und 34 liefern kann, oder, wenn gewünscht, eine besondere Auslöseeinrichtung benutzt wird, wobei die Energie des Kondensators 2o in den Tank 1o gekoppelt wird, um die bestmögliche Kopplung zu erhalten. Die L-C-Werte für den Kondensator 2o und die Induktivität

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BAO ORiGINAt

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36 sind so gewählt, daß die Eigenresonanzfrequenz von Kondensator und Induktivität ungefähr der Resonanzfrequenz des Tanks entspricht. Da die erwähnte Kapazität des Kondensators 2o durch die Belastung gegeben ist, wird die Induktivität für die beste Kopplung gewählt, was ohne Beachtung einer Leckentladung aus dem Kondensator 2o erfolgen kann, wenn er entladen ist. Der Wert der Induktivität 36 ist linear und so gewählt, daß die Entladegeschwindigkeit so groß ist, daß die Ereiberimpulse mit den Schwingungen des Tanks 1o in Phase liegen. Die Induktivität liefert auch die umgekehrte Vorspannung zum Abschalten des SCR 34· in derselben Weise wie die Induktivität 3o_o .

Die Anordnung nach Figur 1 wird anhand der Figur 2 erläutert: Am Anfang soll die Spannung am Punkt 37 -E Volt betragen und die Batterie 26 soll +E Volt liefern. Die Auslöseeinrichtung 32 wird gestartet und liefert einen Torimpuls an den SGR 28. Dieser Impuls zündet den SGR 28, der leitend wird, so daß ein Stromimpuls entsteht, wie durch den Stromverlauf in Figur 2 gezeigt wird» Der Spannungsverlauf am Punkt 37 ist mit E^r₇ bezeichnet und bewirkt, wie dargestellt, das Ansteigen vom Weib -E bis ungefähr zum dreifachen Wert der Spannung der Batterie 26, d.h. auf 3 E Volt. Dies geschieht wegen der bekannten Fähigkeit der Induktivität zum Liefern von Spannungen, die größer sind als die der Spannungsquelle_β In diesem Zeitpunkt wird mit dem Punkt 37 bei -E Volt die gegenüberliegende Seite der Induktivität 3o auf einem Potential der Batterie 26 oder bei +E Volt liegen. Somit liegen an der Induktivität 3o insgesamt zweimal E Volt. Wenn während des Ladens des Kondensators 2o der durch den SCR 28 und in den Kondensator 2o fließende Strom sich zu verringern beginnt, was ungefähr eintritt, wenn die Spannung E durch die Spannung im Punkt 37 überschritten wird, bricht das Feld infolge der Wirkung der Induktivität zusammen und die EMK oder Selbstinduktion entsteht mit derselben PoIa-

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rität wie die Batteriespannung, aber gleich +2 E Volt. Diese +2 E Volt bewirken zusammen mit der Spannung +E der Batterie 26, daß der Punkt 37 den Wert 3E erreicht. Zu dieser Zeit ist der Kondensator 2o voll aufgeladen, kann aber wegen des Nichtleitens von SCR 34· nicht entladen werden. Auch der SCR 22 ist durch die umgekehrte Vorspannung infolge der Spannung am Punkt 37 abgeschaltet.

Jetzt zündet die Auslöseeinrichtung 32 den SCR 34- und der Entlade strom beginnt, vom Kondensator 2o durch den SCR 34- und die Induktivität 36 in den Tank 1o zu fließen. Figur zeigt, daß die Spannung am Punkt 38 zum Tank 1o, dargestellt durch den Verlauf E 38> und der Verlauf des Stromes durch den SCR 34· in Phase liegen, um sicher zu stellen, daß der Tank 1o zur richtigen Zeit gesteuert wird. Die Spannung E37 nimmt ab, wenn sich der Kondensator wegen der umgekehrten Vorspannung entlädt, wie Figur 2 zeigt. Wenn die E 38-Spannung die E 37-ßP^annung überschreitet, wird der SCR 34- abgeschaltet. Die Abnahme des Entlade stromes ergibt an der Induktivität 36 ein Zusammenbrechen des Feldes. Folglich entsteht eine EMK ungefähr gleich der Spannung an der Induktivität 36 während des Beginns der Kondensatorentladung, jedoch mit entgegengesetzter oder einer negativen Polarität. Zum Begrenzen dieser negativen Spannung auf -E Volt am Punkt 37 sind eine Einwegleiteinrichtung, d.h. eine Halbleiterdiode 39, und eine Batterie 4o, die E Volt mit der dargestellten Polarität liefert, so verbunden, daß bei einer Spannungsänderung an der Spitze der Diode unter -E Volt die Diode 39 leitend wird und diese Spannung bei -E.Volt hält. Die Diode 39 kann zwischen dem Kondensator 2o und der Anode des SCR 34 auch in anderer Weise angeordnet sein.

Aus den Kurven der Figur 2 ist zu erkennen, daß die Spannung E37 eine Frequenz gleich etwa einem Drittel der Frequenz der Spannung E38 aufweist. Es wird somit ein Lei-

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stungsimpuls während Jedem dritten Zyklus des Tanks 1o duroh die Treiberschaltung 12 geliefert. Dies beendet einen Arbeitszyklus.

Aus dieser Anordnung kann entnommen werden, daß der SCR eine entsprechende Zeit besitzt, um abzuschalten, wenn nur bei jeder dritten Schwingung des Tanks 1o gezündet wird. Durch Begrenzen der Spannung am Punkt 37 auf -E Volt wird außerdem die Vorwärtsspannung am SOR 22 in annehmbaren Grenzen gehalten,, Wenn der andere SCR 34 gesperrt ist, kann der Tank 1o sich nicht in den Kondensator 2o entladen. Auch ein überschreiten der Energie kann über die Diode 39 auf die Gleichspannungsquelle zurückgeführt werden.

Bei verschiedenen Anwendungen können hohe Leistungespitzen, die über den SCR 3^· eintreten, bei höheren Frequenzen nicht zulässig sein. Dann kann der SCR 34- durch einen sättigbaren Reaktor 42 nach Figur 3 ersetzt werden. Das Gerät nach Figur 3 ist mit denselben Bezugszeichen versehen wie das Gerät nach Figur 1, ausgenommen deren neue Elemente.

Der sättigbare Reaktor 42 ist vorzugsweise so beschaffen^ daß er sich mit einem niedrigen Strom beim Durchführen der Schaltfunktionen sättigt. Er führt im gesättigten Zustand, intern er eine sehr kleine Impedanz für den durchfließenden Strom darstellt, einen maximalen Strom. Ungesättigt besteht * eine maximale Impedanz für den Strom und dies entspricht dem abgeschalteten Zustand, da der Strom ein Minimum beträgt. Der dargestellte sättigbare Reaktor 42 wird durch die Kombination einer Induktivität 44, eines Widerstandes 46 und einer Batterie 48 mit einem umgekehrten Strom beliefert. Dieser Strom erleichtert bekanntlich das Zurückführen des sättigbaren ReaktioES 42 in den ungesättigten Zustand mit hoher Impedanz. Anstelle dieser Anordnung kann, wenn die Anordnung nicht anderweitig benötigt wird, ein Reaktor mit einem Luftspaltkern verwendet werden.

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Das Gerät nach Figur 3 arbeitet während der Ladung im allgemeinen wie das nach Figur 1, mit Ausnahme, daß nachdem der Kondensator 2o voll aufgeladen ist, der kleine Strom durch die Diode 5o den Reaktor 42 dann in den Sättigungszustand bringt. Zu dieser Zeit wird in Verbindung mit Figur 4 festgestellt, daß dort eine beachtliche Differenz zwischen den Spannungen E*„ und E,g besteht. Praktisch fällt diese ganze Spannung am Reaktor 42 ab. Bei dieser Differenz von Spannung und ütrom kommt der Reaktor 42 aus dem Zustand hoher Impedanz, der den Stromfluß verhindert und dadurch das Laden des Kondensators 2o im gesättigten Zustand niedriger Impedanz erleichtert. In diesem Zustand entlädt sich der Kondensator 2o in den Tank 1o. Wenn der Entladestrora sieh zu verringern beginnt, kehrt der Reaktor 42 in seinen ungesättigten Zustand zurück. Aus den Kurven der Figur 4 ergibt sich, daß der Entladestrom durch die Induktivität 36 mit der Spannung E38 in Phase liegt. Der Reaktor 42 führt somit dieselbe Funktion aus wie der SOR 34, kann aber die hohen Energiestöße, die bei höheren Frequenzen notwendig sind, besser ausgleichen. Im gesättigten Zustand wird der Kondensator 2o entladen und im ungesättigten Zustand ermöglicht die hohe Impedanz seine Ladung.

Die Diode 39 führt bei einem Gerät nach Figur 3 dieselbe Funktion aus wie das Gerät nach Figur 1. Die Sperrfunktion dee SCR 34 nach Figur 1 wird durch eine Einwegleiteinrichtung, wie eine Halbleiterdiode 5o ausgeführt, die den umgekehrten Strom nicht vom Tank 1o in den Kondensator 2o_r fließen läßt. Wenn ein umgekehrter Stromfluß keine Rolle bei einer speziellen Anwendung'spielt, kann die Diode 5o wegfallen.

Aus dea Kurve nach Figur 4 ergibt sich, daß die Spannung E38 unter -E Volt zu gehen versucht und somit den Reaktor 42 in den gesättigten Zustand bringen will. Dies spielt hier keine Rolle, da diese Tendenz mehr ist als das Ab-

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schalten durch entgegengesetzte Produkte von Spannung und Zeit, die während des Zyklus des Tanks 1o den Reaktor im gewünschten ungesättigten Zustand halten.

Beim Betrieb der Geräte nach den Figuren 1 und 3 wurden folgende Werte benutzt: ·

Induktivität 3o 19 Aihenry Kondensator 2o 3o Induktivität 36 8,5 " Batterien 26 und 4o

32o Volt

SCR 28 Durchschnittsstrom 128 Amp.

Die SCR 28 und 34 werden bei 3»33 kHz gezündet, wobei der Tank 1o bei 1o ooo Hz betrieben wird und 33 kw leistet.

Wenn der Tank 1o mit dichteren Treiberimpulsen oder Impulsen höherer Wiederholungsfrequenzen arbeiten soll, kann das Gerät nach Figur 5 verwendet werden. Dort sind zwei Geräte 12 und 12' nach Figur 3 entgegengesetzt gepolt miteinander verbunden, wie durch das Bezugszeichen 52 angezeigt ist. Es können auch zwei Treiberschaltungen nach Figur 1 in ähnlicher Weise zusammengeschaltet werden. Die Zündzeitgabe der beiden SGR 28 und 28· durch die Auslöseeinrichtung 32 ist derart, daß sie abwechselnd zuerst den SCR 28 und dann den SCR 28' ungefähr in der Mitte zwischen den Zündungen von SCR 28 zündet. Die Kurven nach Figur 6 vergleichen die Stromimpulse der entsprechenden Treiberkreise 12 und 12' mit der Spannung am Punkt 38. Diese Impulse liegen mit der optimalen Tankoperation in Phase und ergeben sich einmal während jedes 1V2 Zyklus des Tanks Io. Dadurch steigt die Ausgangsleistung an und es ergibt sich eine ruhigere Treiberleistung.

In Figur 7 sind drei Treiberkreise 52, 52' und 52" mit ihren Ausgängen parallel geschaltet, die am Tank 1o liegen. Da nach Figur 5 sowohl positive als auch negative Treiberimpulse vorliegen, ergibt die Anordnung nach Figur 7 negative und positive Stromimpulse in der Folge nach Figur 8.

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Der Tank 1o wird somit bei jedem Zyklus mit Pulsen beaufschlagt, damit die Ausgangsleistung und die Gleichförmigkeit weiter erhöht werden.

Ss ist offensichtlich, daß auch andere Treiberschaltungen wie die nach den Figur 1 und 3 verwendet werden können, auch kann die Leistungsquelle handelsübliche Schaltelemente verwenden, die die erforderlichen Frequenzen ermöglichen, ohne die Höhe der Leistung zu gefährden.

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Claims

PILMR CORPORATION, West Allis/Wisconsin - USA

Patentansprüche

T;Hochfrequente Energiequelle mit einem Parallelresonanzkreie zum Liefern einer Wechsel Spannungsleistung einer gegebenen Frequenz, einer Treibereinrichtung mit einem Energiespeicher, einer Einrichtung zum Laden des Speichers einer Gleichspannungsquelle, einem Schalter zum periodischen Anschließen der Gleichspannungsquelle an den Energiespeicher bei einer der gegebenen Frequenz entsprechenden Frequenz und einer Einrichtung zum Entladen des Speichers in den Parallelresonanzkreis, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladeeinrichtung eine Schalteinrichtung aufweist, die den Energiespeicher an den Parallelresonanzkreis (Ίο) legt, so daß die Treiberleistung am Resonanzkreis zu dessen Schwingungen in Phase liegt.

2. Energiequelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung ein gesteuerter Gleichrichter (23) ist und die Ladeeinrichtung eine Auslöseeinrichtung (32) besitzt, die den gesteuerten Gleichrichter einschaltet und eine andere Einrichtung ihn abschaltet.

3. jünergiequelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher ein Kondensator (2o) ist und eine Induktivität (3o) die Ladegeschwindigkeit des Kondensators regelt und das Erzeugen einer umgekehrten Vorspannung zum Abschaltendes Gleichrichters erleichtert.

4. Energiequelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, 009846/1338 -2-

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daß die Auslöseeinrichtung auch den gesteuerten Gleichrichter betätigt.

^rj* Energiequelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine ICinweg! eiteinrichtung zwischen Kondensator f2o) und Parallelrefjonanzkreis (Io) lieft, um einen ungekehrtnn otrom von diesem zum Kondensator au verhindern, und eine andere lSinwegle.iteinrichtung die Vorwärtsspannung am Gleichrichter auf einen regebenen .'/ort begrenzt.

(':. Energiequelle nach vuQopruch J, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung ein oättjgbarer Reaktor (42) mit einer niedrigen Impedanz im gesättigten und tiner hohen Inrpedanz im ungesättigten Zustand ist und bei einem gegebenen iinergiepegel des Kondensators den gesättigten Zustand annimmt und dadurch den Kondensator parallel zum Resonanzkreis schaltet.

7· Energiequelle nach einem dor vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die l'reibereinriclitung zwei einander entgegengesetzt; gepolte Schaltungen aufweist, die abwechselnd den rarallelresonanzkreis betätigen, v/obei ,jede Schaltung f-ii.nen jünergiefipeicher, eine Ladeeinrichtung, und einen gesteuerten Gleichrichter zum periodischen Anlegen der Glfcichspannungßquelle- an den ijpeicher, eine Induktivität zum »steuern der Lodegeschwindigkeit und zum leichteren _:,r"<. nznn einer uiarr^fikehrten Vorspaimung zum Abschalten de ρ 'jleiohrichters besitzt.

8 EnorrriequfOle Jiao.b Ίη;π.Ί*υοί* 7, dadurch gekonnzeichnet, daß die Au r_;l<; ep-cd η richtung für die gesteuerten Gleichrichter EnergJN-- von ,jr-der Schaltung sum J'aralleli'esoiiojji'.kreifi in : vpnbexH ·~ ':-inGnbeziehimg zu riossen Gdiwin{5ungc;x liefert.

9. BtKirßiequßn· uhcIi einem der voHifirrehenden Anr:j lücho _t dadurch gel?'' - i. lehnet, daß eine -I'-r EinwegJ eiteinriüli«

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tungen zwischen Belastung und Kondensator den Energiefluß von der Belastung zum Kondensator verhindert und überschüssige Energie zur Gl eichspannungsquelle zurückführt, während die andere ßinwegleiteinrichtung diej, Vorwärt sspannung am gesteuerten Gleichrichter/iUf einJBn gegebenen Wert begrenzt.

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