DE2023825A1

DE2023825A1 - Stromrichteranordnung

Info

Publication number: DE2023825A1
Application number: DE19702023825
Authority: DE
Inventors: Andress Lima Ohio Kernick (V.St.A.)
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1969-05-19
Filing date: 1970-05-15
Publication date: 1970-11-26
Also published as: CH509695A; AT310295B; US3614590A; CA896086A; JPS5135683B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromrichteranordnung, die einen Umrichterschaltkreis mit Halbleiterbauelementen enthält, der aus einer Gleichspannungsquelle gespeist ist und mit der eine Ausgangswechselspannung mit angenähert sinusförmigem Verlauf erzeugbar ist.

Größe, Gewicht und Verlustleistung konventioneller Bauelemente, führen beim Aufbau von Stromrichtern größerer Leistungen zu Problemen, die besonders groß sind, falls Bedingungen einzuhalten sind, wie sie auf dem Gebiet der Raumfahrt gestellt werden. In der Raumfahrt sind Platz und Gewicht beschränkt und der Leistungsbedarf steigt laufend. Da in Raumfahrzeugen mit unabhängigen Gleichspannungsquellen wie Solarzellen, thermionischen Energieerzeugern oder Brennstoffzellen Wechselstromverbraucher betrieben werden müssen, ist Wechselrichter- und Umrichterbetrieb unvermeidlich. —

Mit modernen Leistungstransistoren und integrierten Schaltkreisen läßt sich die Zahl der Bauelemente in Stromrichtern wesentlich verringern und es können leichtere und kleinere Übertrager und Filter verwendet werden. Vorgeschlagen wurde ein Stromrichter mit schnell ansprechenden Leistungstransistoren in Brückenschaltung,mit dem man bei geringem Aufwand für Filter eine angenähert sinusförmige Ausgangsspannung erhält. Bei dieser Technik ist die Ausgangswechselspannung aus Impulsen auf-, gebaut, die niederfrequente Impulsbreitenmodulation aufweisen, aber unterschiedliche Trägerphasen besitzen.

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Solche Stromrichteranordnungen enthalten Transistoren mit endlicher Speicherzeit. Werden diese Transistoren voll ausgesteuert, d.h. gesättigt, so können schmale Impulse unterdrückt werden. Da die Impulse, aus denen die Ausgangswechselspannung zusammengesetzt ist, unabhängig voneinander moduliert sind, entstehen beim Regeln der Wechselspannung soüie schmale Impulse und die Ausgangswechselspannung wird verzerrt. Die Transistoren dürfen daher nicht im Sättigungsbereich betrieben werden. Bei Stromrichteranordnungen, die mit Impulsen großer, festgelegter Breite arbeiten,ist die Unterdrückung bestimmter Oberwellen weitgehend möglich und die Wechselspannung bleibt unverzerrt. Hierzu werden die Halbleiterbauelemente der Brücke des Umrichterschaltkreises bei vorge- gebenen Zündwinkeln gezündet.

Zur Spannungsregelung werden bei bekannten Stromrichteranordnungen im allgemeinen die Zündzeitpunkte der Halbleiterbauelemente verschoben, womit gleichzeitig bestimmte Oberschwingungen niedriger Ordnung unterdrückt werden können. Mit diesem Verfahren lassen sich jedoch Oberschwingungen relativ niedriger Ordnung, beispielsweise die 9. und 11. Oberschwingung nicht vermeiden, die erfahrungsgemäß bei der Spannungsregelung die Ausgangswechselspannung noch erheblich verzerren. Diese Oberwellen können wegen hohen wirtschaftlichen Aufwandes nicht ausgefiltert werden.

Es besteht die Aufgabe, mit einem Stromrichter eine angenähert sinusförmige Ausgangsspannung zu erzeugen, wobei Oberschwingungen niedriger Ordnung unterdrückbar sein sollen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit eine]? Anordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß Taktimpulse erzeug-

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ber sind, deren Anzahl pro Halbwelle der Ausgangswechselspannung zur Länge der Halbwelle in einem ganzzahligen Verhältnis steht, daß mit den Taktimpulsen in einem Impulsgenerator Rechteckimpulse auslösbar sind, die im wesentlichen gleiche Impulsbreite besitzen und daß mit der zeitlichen Folge der Hechteckimpulse ein Schaltapiel der Halbleiterbauelemente erreichbar ist, mit de« eine Ausgangswechselspannung erzeugbar ist, dl« im wesentlichen frei von bestimmten, vorgegebenen Oberechwineungen niedriger Ordnung ist.

Vorzugsweise ist im Impulsgenerator eine Logik vorgesehen« mit der einzelne Rechteckimpulse auswählbar tu unterdrücken sind und mit der eine Rechteckimpulsfolge fUr jede Halbwelle der Ausgangswechselspannung erzeugbar igt, die der vorgegebenen Form der Ausgangswechselspannung entspricht. Sie für zwei Halbwellen der Ausgangswechselspennung erzeugten Rechteckimpulsfolgen können identisch spin. Vorteilhaft ist es, jedem Taktimpuls einen Abschnitt dtr Hilbwelle dtr Ausgengswtchaelspannung zuzuordnen, wobei jede gröGt· Impulsbreite einen Rechtecfcimpulees ein vielfaches dtr Länge eines Abschnittes ist und wobei die länge jedes Abschnittes definiert ist ait W = ^1β0° ,

worin η die.Zahl der Abschnitte ist. Die Anzahl der Abschnitte kann durch 3 teilbar sein*

Es kann ein Steuersatz vorgesehen sein« alt dessen Auegangssignal die Impulsbreite der Impulse einer Rechteckimpulsfolge einheitlich veränderbar ist. Es kann vorgesehen sein, diese Modulation der Impulsbreite der Impulse einer fitchteckimpulsfolge in Abhängigkeit von Schwankungen der Ausgangewechse1-spannung, von Schwankungen des von den Halbleiterbauelementen des Umrichter3Chaltkreises geführten Stromes oder von Schwankungen der angelegten Gleichspannung vorzunehmen.

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Mit den jetzt erhältlichen, schnell ansprechenden Leistungstransistoren und den betriebssicheren integrierten Schaltkreisen, die als logische Elemente benutzbar sind, kann eine neue Betriebsweise von Stromrichteranordnungen mit Halbleiterbauelementen in Brückenschaltung durchgeführt werden, bei der die Transistoren ohne Verzerrung der Ausgangswechselspannung voll ausgesteuert, d.h. gesättigt, werden können.

Mit halbleitenden, logischen Schaltkreisen wird ein Zeitintervall, das einer Halbwelle der Grundschwingung der Ausgangswechselspannung entspricht, in eine ganze Zahl von gleichen Intervallen unterteilt. Dieses Zeitintervall braucht sich nicht mit der Halbwelle zu überdecken. Die Stellsignale für die Halbleiterbauelemente im UmrichterschaHkreis werden somit digital gesteuert.

Von dem Impulsgenerator, dessen Logik programmiert ist, wird eine Folge von Rechteckimpulsen und Impulslücken erzeugt, deren Anzahl durch die Zahl der Abschnitte und deren zeitliche Aufeinanderfolge durch das Programm festgelegt ist, wobei die Rechteckimpulse gleiche Impulsbreite besitzen und der Abstand aufeinanderfolgender Rechteckimpulse unterschiedlich sein kann. Wählt man die Anzahl der Abschnitte so, daß sie durch 3 teilbar ist, so kann ein dreiphasiger Umrichter einfach aufgebaut werden.

Mit dem Steuersatz für die Impulsbreite der Rechteckimpulsfolge kann in einfacher Weise die Ausgangswechselsp&nnung geregelt und der von den Halbleiterbauelementen des Umrichterschaltkreises geführte Strom begrenzt werden.

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BAD OBSG5NAL

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Die neue Betriebsweise eines Umrichters, bei der jeder Rechteckimpuls gleichförmig impulsbreitenmoduliert ist, beinhaltet, daß die Abstände der Plächenschwerpunkte der Rechteckimpulse einer vorgegebenen Beziehung genügen, womit eine unerwünschte Modulation mit Oberwellen niedriger Ordnung vermieden wird. Es wird daher einem Wechselstromverbraucher, der gegen Spannungssprünge empfindlich ist, beispielsweise einem Gleichrichter eine Wechselspannung mit einem genügend konstanten Scheitelwert zugeführt.

Es ist daher ein Vorteil der erfindungsgemäßen Stromrichteranordnung, daß eine sinusförmige Ausgangswechselspannung mit einer digitalen Unterteilung eines Zeitintervalls erzeugt wird, wobei das Zeitintervall einer Halbwelle der geforderten sinusförmigen Ausgangswechselspannung entspricht und daß mit logischen Verknüpfungen eine'Folge von Rechteckimpulsen gleicher Impulsbreite geschaffen wird, wobei die Impulsbreite bei größter Ausgangswechselspannung durch die Breite der untereinander gleichen Abschnitte begrenzt ist. Vorteilhaft ist weiterhin, daß die Impulsbreite der Rechteckimpulse einer Impulsfolge die einer Halbwelle zuzuordnen ist, verändert werden kann, wobei die Beziehung zwischen den vorgegebenen Abständen der Flächenschwerpunkte der Rechteckimpulse unverändert bleibt und damit Verzerrungen durch Oberwellen auf ein Mindestmaß beschränkt werden können. Ein weiterer Vorteil ist es, daß die erfindungsgemäße Betriebsweise auf eine Stromrichteranordnung mit einem Umrichterschaltkreis ausgedehnt werden kann, der zwei oder mehrere Brücken enthält. Es können auch mehrere Stromrichteranordnungen zu einem vielphasigen Stromrichtersystem vereint werden.

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand der

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•Figuren 1 bis 7 beispielhaft näher beschrieben. Es zeigts

Pig. 1 das Schaltbild eines Umrichterschaltkreises und einen digitalen Schaltkreis, über den die Transistoren der Brücke ansteuerbar sind;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel,inabesondere des digitalen Schaltkreises nach Fig. 1;

Fig. 3 ein Schaltbild des Steuersatzes zur Veränderung der Impulsbreite nach Fig. 2;

Fig. 4 eine Zusammenfassung -von programmierten Wellenformen der Ausgangswechselspannung einer einphasigen Stromrichteranordnung;

Fig. 5 ein Diagramm, in dem Grund- und Oberschwingungsgehalt gegen den Steuerwinkel der Spannung aufgetragen sind und mit dem die Steuerung des Oberschwingungsgehaltes demonstriert wird;

Fig. 6 eine Zusammenfassung der programmierten Wellenformen der Ausgangswechselspannung bei einem Stromrichter mit zwei Brücken;

Fig. 7 das teilweise schematische Schaltbild eines Stromrichters mit einem synchronen Demodulator.

In Fig. 1 ist ein Umrichterschaltkreis 10 dargestellt, dessen Halbleiterbauelemente Q₁, Q₂» Q-* und Q. eine Brücke bilden. Die Halbleiterbauelemente können Transistoren sein. Am Brückeneingang liegt eine Gleichspannung, die Gleichspannungsquelle ist in der Fig. 1 nicht gesondert dargestellt. Am Ausgang A-A' der Brücke 10 liegt" ein Wechselstromübertrager 12.

Mit einem digitalen Steuerschaltkreis 2 werden die leistungstransiatoren Q₁ bis Q. so angesteuert,, daß man am Brückenausgang A-A.¹ eine Folge von Rechteckimpulagn. B .erhält, die in der Fig. 1a dargestellt ist und in der die Impulse jeder HaIb-

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welle Identisch sind. Mit Hilfe des aus der Induktivität I₁ und der Kapazität C₂ gebildeten Filters erhält man ain Ausgang des Übertragers 12 eine sinusförmige Ausgangswechselspannung, die in Fig. 1a eingezeichnet ist.

Mit dem Schaltkreis 2 werden nach einem Programm Impulsfolgen erzeugt, die für jede Halbwelle mit der Impulsfolge B der Fi£. ¹B übereinstimmen. Es muß sich jedoch die mit dem Schaltkreis 2 erzeugte Impulsfolge nicht mit der Impulsfolge einer Halbwelle der Ausgangswechselspannung überdecken. Zur Erzeugung der Impulsfolge des Schaltkreises 2 wird jede Halbwelle der programmierten Wellenform in η im wesentlichen gleiche Abschnitte bzw. Intervalle unterteilt, wobei die Intervallänge w jedes Abschnittes einer bestimmten programmierten Wellenform mit w = ¹⁸Q gegeben ist. Einem oder mehreren

w-Intervellen ist jeweils ein Rechteckimpuls, beispielsweise ein Nadelimpuls C zugeordnet. Die Impulse der Impulsfolge für eine Halbweile haben gleiche Impulsbreite. Zwischen die Rechteckimpulse sind Impulslücken D eingefügt, die unterschiedliche Breite haben, Mit diesen Impulslücken D wird die vom Programm geforderte Wellenform der Ausgangswechselspannung erhalten. Die größte Impulsbreite eines Rechteckimpulses entspricht demnach der Länge eines W-Intervalles. Dabei ist die Anzahl der w-Intervalle pro Rechteckimpuls vom Programm für die Wellenform abhänrif 'und bei einem Programm für jeden RechtecKimpuls gleich.

Es darf in diesem Zusammenhang auf die Fig. 4 verwiesen werden.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Steuerschaltkreises 2 der Fig. 1. Es ist die Gleichspannungsquelle 20 schematisch

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eingezeichnet, mit der die Brücke 10 gespeist wird. In dem Steuerschaltkreis 2 wird über einen Taktoszillator 50 für jede Halbwelle eine Folge 60 von Rechteckimpulsen ausgelöst, die in Pig. 2a dargestellt ist. Mit diesen Rechteckimpulsen 60 werden die Transistoren Q₁ und Qp der Brücke 10 angesteuert. Jeder Leistungstransistor Q₁ bis Q₄ ist für bestimmte Zeitintervalle entriegelt, die durch die Rechteckimpulsfolge 60 bestimmt sind. Es liegt daher an der Reihenschaltung der Drosselspule 15 und der Primärwindung 13 des Übertragers 12 eine Spannung mit einer Wellenform 62. Mit dieser Spannung wird eine Last 70 gespeist, die mit der Sekundärwindung 14 des Übertragers 12 verbunden ist» Bie Transistoren Q₁. bis Q. sind paarweise so in Reihe geschaltet₅ daß innerhalb einer ftalbwelle der Ausgengswechselspannung lediglich ein Transistor im Transistorpaar Q, und Q. geaündet wird. Weder die Transistoren Q₁ und Qp noch die Transistoren Q, und Q, sind gleichzeitig gezündet oder gesperrt.

Der Steuera^chaltkreie 30 enthält einen mehrstufigen Zähler Es sei angenommen, daß der Zähler 32 ein Binärzähler ist. Der Zähler 32 wird von den Tektimpulsen 50a de® Taktoszillators gestellt. Die Pulafolgefrequeue der Taktimpuls^ des Taktoszillators 50 ist das 2n-faehe der Frequenz der Grundschwingung der Ausgangswechselspannung.

Mit dem Ausgangssignal jeder birfären Stufe des Zählers 32 wird über logische Glieder ein Ziffernabtaster 34 gestellt, der in Verbindung mit einem im folgenden als Impulsgenerator bezeichneten logischen Schaltkreis 36 die Folge von Rechteckimpulsen und Impulslüeken erzeugt. Jede bestimmte Folge von Rechteckimpulsen entspricht einer Ziffernfolge, die als Programm in den Ziffernabtester 34 eingegeben ist und mit der eine

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bestimmte sinsuförmige Wellenform der Ausgangsspannung ohne bestimmte Oberschwingungen niedriger Ordnung erhalten wird. Nach Pig. 2 enthält der Ziffernabtaster 34 beispielsweise UND-Glieder 35 mit mehreren Eingängen und negierten Ausgängen, Die digitalen Verknüpfungeglieder blockieren bestimmte w-Impulse und erzeugen damit entsprechend dem Programm Impulslücken zwischen den Rechteckimpulsen. Die programmierte Zahlenfolge stützt sich auf ein Zeitintervall, das einer in w-Intervalleη unterteilten Halbwelle der Grundschwingung entspricht. Dieses unterteilte Zeitintervall braucht sich ebenfalls nicht für alle WeIlenformprogramme mit einer Halbwelle zu überdecken.

Die Tastimpulse 50a, die den Binärzähler 32 stellen, unterteilen ebenfalls ein Zeitintervall, das einer Halbwelle der Wellenform entspricht in eine Anzahl η von im wesentlichen gleichen Abschnitten. Woraus mit den Verknüpfunggoperationen des Ziffernabtasters 34 die Impulsfolge einer Halbwelle resultiert.

Mit dem Ziffernabtaster 34 wird in einem Ünd-Gatter 38 ein Zurückstellimpuls ausgelöst, wenn der Zahlenwert η erreicht wird, der dem Abschluß des Programmablaufs für eine Halbwelle entspricht. Über den Rückstelleingang des Impulsgenerators 38 wird der Zähler 32 auf Null zurückgestellt und für den Programmablauf der folgenden Halbwelle vorbereitet. Außerdem wird vom Ausgang des Gatters 38 eine bistabile Kippstufe 40 gestellt. Die bistabile Kippstufe 40 überprüft die.zeitliche Folge der Rechteckimpulse und synchronisiert die Stromführung der Diagonalzweige der Brücke 10 mit alternierenden Halbwellen der sinsuförmigen Ausgangsspannung V . Die Pulsfrequenz der bista-

bilen Kippstufe 40 und damit die Frequenz der sinusförmigen Ausgangswechselspannung wird durch die Pulsfolgefrequenz des Tastoszillators 50 bestimmt.

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Um die Arbeitsweise des Steuerschaltkreises 2 su beschreiben wird angenommen, daß dem Ziffernabtaster 34 als Programm eine Wellenform vorgegeben ist, die der mit G bezeichneten Wellenform in Fig. 4 entspricht« Es ist anzuführen, daß die für eine spezielle Anwendung ausgesuchte Wellenform durch die feemötigt© Leistung am Ausgang der Stroiarichteranordnung und durch di© Eigenschaften der Leistungstransistoren der Brücke 10 bestimmt wird» Die Impulsfolge 60 der Wig. 1 bzw. 2 stellt eine Wellenform des Typs G dar»

Der Fig. 4 ist zu entnehmen, daß jeder Hechteckimpuls der Wellenform G einem einzigen w-Intervall entspricht» Die Ansah! der Zeitabschnitte w pro Halbwelle der Wellenform C ist 15 ο Damit erhält man eine Breite der w-Intervalle und damit eine obere Grenze für die Impulsbreite der Rechteckimpulse von 12

(w = 180° ).
η

Von den NAND-GlMerη 35 des giffernabtasters 34 werden infolge des Abzählens von 1 bis 15 des Zählers 32 während w-Intervalle 1, 10, 12, 13 und 14 Impulslüekea in die Rechteckimpulsfolge eingefügt. Das Wellenformprogramm des Typs C wurde wie aus Fig. 2 zu entnehmen ist, bezüglich der Halbwelle der Ausgangswechselspannung verschoben, um die Impulslücken der w-Intervalle 12, 13 und 14 mit einem einzigen UND-Glied mit negiertem Ausgang (NAND-Glied) erzeugen zu können. Dies ist ein Beispiel für ein Wellenformprogramm, bei dem die Halbperiode des Programmes sich hiclrt mit einer Halbperiode der Ausgangswechselspannung überdeckt.

Die dem Programm entsprechenden Impulslücken der Rechteckimpulsfolge werden durch das Zusammenspiel des Ziffernabtasters 34 und des Impulsgenerators 36 erzeugt, der als

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exklusives ODER-Glied arbeitet. Exklusive ODER-Schaltkreise sind im Handel beispielsweise unter dem Namen Amelco semiconductor Type 341 erhältlich. Die logischen Verknüpfungsglieder 37 und 41 sind ITAKD-Gl ie der» die eine Negation am Eingang bzw. Ausgang des exklusiven ODER-Schaltkreises 36 schaffen.

Das logische Verknüpfungsglied 36 ist mit dem Ausgang der bistabilen Kippstufe 40 verbunden um die Halbleiterbauelemente Q₁ und Q₄ oder Q₂ und Q₅ gleichseitig zu stellen und ein einziges rechteckförmiges Ausgangseignal an der Brücke 10 zu schaffen, falls weder vom Ziffernabtaster 34 noch vom Steuersatz 42 für die Impulsbreite eine ImpulslUcke gefordert wird. Die Antivalenzfunktion des logischen Operators 36 synchronisiert das Halbleiterbauelemente Q₁ mit dem Halbleiterbauelement Q,

und das Halbleiterbauelement Q

falls ein Befehl zum Einfügen einer Impulslücke vorhanden ist.

2 Bit dem Halbleiterbauelement Q.

Am Ausgang der NAND-Glieder 35 des Ziffernabtasters 34 erscheint der Stellwert 1, falls sie Impulse führen bzw. der Stellwert 0, falls die Glieder blockieren, d.h. Impulslücken führen.

Es läßt sich daher folgende Funktionstabelle für den Impulsgenerator 36 angeben:

	^F1	Q.	^F2	«2	3tellwert 0 am Punkt a der Pig.2	I - i¹
	'.Halb-] γ Yfeil 4		* -	0	¹ ! P₁ I ^₁ Fp -Q₂	i C ι 0 C
Stellwert 1 em Punkt a der Pip.2	2.HaIlM · we IΊ β	0	0		.o :
« ·

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Aus dieser Punktionatabeile ist ersichtlich, daß an den Steuereingängen der Halbleiterbauelemente Q, oder Q, Steilwert 1 anliegt, falls diese Seäin-gung durch die bistabile Kippstufe 40 gegeben ist. Die Umkehr d©r Werte lull und eins ist an'den Eingängen der Halbleiterbauelementen Q, und CL während aller anderes Intervall© ©iß®? Halbwelle gegebenο Der Zustand der bistabilen Kippstuf® bei aufeinanderfolgende Halb= wellen der sinusförmigen Wellenform» Ibediagt äi© abwechsalende Strumführung eier Brüeken&iagoaalen (L mad Q, *bsi?_o Q₀- und Q*_e

I . ^lf c. J

Liegt am Ziffernafetastcsr 34 ₉ as Bt©n®rsatg 42 wad aa der Stufe PpCler bistabile ISippgtuf© 40 d©? y©rt 1, so fließt Strom aus der GlaielispaaauagaqMslle 20 ötar'ea fiera- Srsjasistor Q*, die Primärwindung 13 des Übertragtr© 12 iaai d©a fransist or Q^o

Liegt	ier	We z³	% 0
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ter- 34 oä@r am Steuer= über di@ ^w@skltasiva OBll^fiaaktion^des isa öle l@cht@©kiapislsfolge spaaaiaagslos© lauas©ß an der c S^sasf0E=BiItO^s 12, mafi es wird eine un ^ 1.Tv. ^*" ι D^02Siaies?t ο Palis öl® TbistaMle Kippstufe "i j''■'f 3 ö©2' üert 1 sa äs? Stuf® S¹- liegt s, wird die ac* ~uϊ \ j z„ 3it ö©ß S^aasdstorea Q₁ und Q, gesperrt und r<\ ι ^kile 3it fiea fransistoren Q« und Q^, durch

fier Basis des Transistors Qp ia den strom=·

J gestsllt= Ia dissea Zustand der bistabilen " Jt Strom dursli den Transistor Q^₉ die Priaär=

m'tragers 12 i'.ad den Transistor Q₂. Dabei ;'iiig ia der S'E'iaäruindung 13 des Übertragers ir ,Strom'ichtunge die man erhält, falls die

f-ibilsn Kippstuf© 40 gestellt ist= Die siousist daher aus identischen Recht-

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eckimpulsfolgen für jede Halbwelle zusammengesetzt, jeder Rech.teekimpu.ls im wesentlichen die gleiche B2⁵ei'ts . besitzt und die Polarität der Reehteckimpulsfolgen anfeiaaader-' folgender Halbwellen wechselt.

Den Eingängen eines Steuersatzes 42 .zur Regelung der Impuls- ■ breite sind Signale zugeführt) die die sinusförmige Aasgangs·=- wechselspannung V„ und die Gleichspannung für die Stromrichter-

et ■ ■

brücke Yq repräsentieren. Mit dem Steuersatz. 42 r/i^d die Breite jedes Rechteckimpulses in einer Rechteckimptilsfolge Λ moduliert und damit die Ausgangsspannung geregelt bgw. eine wellige Gleichspannung ausgeglichen. Mit der iBäpulsfereitsm-» modulation wird auch der durch die Lsistungstransistoren Q₁ bis Q. fließende Strom begrenzt. Der Strom jedes Transistors wird mit Stromwandlern 16 überwacht. Mit einem Üfcersaehungsschaltkreis 80, dem die Ausgänge der Stromwandler 16.angeführt sind, wird ein Spannungssignal V, gewonnen, mit dem der größte Wert des durch die Transistoren fließenden Stromes dem Steuersatz 42 angezeigt wird.

Die von dem Steuersatz 42 durchgeführte Impulsbreitenmodulation kann nur an einer Impulsflanke oder an beiden Impulsflanken erfolgen. Pur die Abstände der Flächenschwerpunkte der Recht- ^j eckimpulse einer Rechteckimpulsfolge bleibt dabei im wesentlichen eine mit dem Programm gegebene Beziehung erhalten, da die Modulation der Rechteckimpulse einheitlich und gleichförmig ist. Wegen der geringen Impulsbreite der Rechteck- . impulse wird die Frequenz der Grundschwingung bei dieser Impulsbreitenmodulation nur geringfügig verschoben. Die größte Frequenzverschiebung beträgt eine halbe Impulsbreite» Sie erhält man, wenn bei der Impulsbreitenmodulation die Amplitude der Welle Null wird.

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Bio ■';*, if.,. -:.ii. 7ο O^e^sctairingung feania imterfirücki; uei>ösn_s ueaa en'';":.-::'Ier ^r- ilicj fe^ier- oder RückflGake oder beide Xapuls=» f-'-ii'"⁵'^:;" Ci'ij-iü-tcvt UGSden. 3ei der ImpilstasitssaodislatiOn ßij'^: ;_;:oa- ii:rj^i:^;i?i::ofete Oberschir/inguti^-sa aisetrigsr Ordnung₀ . α,..":. c \:.3r :,■-■ ^rii- "3 "ä 3 Offöaung, wie sie aoispieisueise sit Κ::-Γ"ν^ν_=': e u-i ü ±ώ. i?igο 5 geseigt siod, ¥®rs®rrsa die iüi w-j .-1-- .1 ::'■;;i-::.ii:i..^g asi dsr lapiiIsbreitenEOdulation nur gering·= :Πί_;ρ._. Bi-? ^r[iii^;vsa α usö Ij ia Pig ο 5 saigsa ^iaa Vergleich Β-.-λ-;:"";:!.^.'^!=^^ ϊ2θγ ^o usiä 'Ho öb©rsoiirainguag<, flia man "bei dar be]"f:i".;vi;tiii äioeos'üiäg der ,/msgaögsweohs el spannung siit Ki vi>r..:.. :.;iöUiii3 0:-.=l:iäI1;_o Bis a«s dieses ODersch^fingung restti^iej/^iila "S/eekselspaHEMiagsifsrgeETiiag ist aicht g Auoli '"*beri-uh~;:l£i!5iLiiiigeii hob.©?©? Oröa.iag fcöanen zu Yerzesrungan ί'ί.'Ιη'βΐΛ e. Μίΐ ίί'ΙΐΎ,ΘΤΆ BM AiiBQ&Fig ä®v Stromrichter brücke» kcmnea jedu-;i< Oboi:SQiui:jiij[sxmg(B& höherer· Ordßiiag ohne besonderen Auf·= wand iT:i"i3gsfiltöPb ue

Wegen der glsiöiisiäßigen lapnlslireite !tonnen. Leistungstransi-3ϊογθε mit aiefet idealsa ligeaseiiaften, wie endlicher Anstiegs-, Abfall- und Speicherzeit (Entladeversug),eingesetzt werden, falls dies® Sigeaschaftesa stabilisiert sind» Außerdem wird vermieden lephteckiapulse su unterdrücken oder aufzuspalten. Daher können die Leistungstransistoren ohne Verzerrung der Ausgangswechselspannung voll ausgesteuert werden»

Geeignete Maßnahmen für die Stabilisierung von Leistiiags~ transistoren sind in dem U8J.™3Patent 3 305 761 beschrieben. Mit der in dieser Literaturstelle beschriebenen gest®ttertea Stromgegenkopplung erhält man einen stabilisierten EEtlad©¥©a?« zug der Transistoren. Dieser kann-im Programm mit eiasr konstanten Verzögerungszeit ("beispielsifeise voa 5 racsek) kompes·=» siert werden. Damit sind die nicht idealen Eigenschaften der

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Transistoren im Programm für die Wellenform berücksichtigt, die Beziehung für die Abstände der Flächenschwerpunkte der Rechteckimpulae bleibt erhalten und die Ausgangswechselspannung bleibt unverzerrt.

Fig. 3 zeigt schematisch ein Schaltbild des Steuersatzes 42 der Fig. 2 für die Impulsbreitenmodulation. Der Steuersatz enthält 2wei Spannungsquellen 112 und 114» einen Unijunctiontransia-tor 116 und Transistoren 118, 120, 122 und 124. Mit'äen Spannung®- g

quellen 112 und 114 ist .ein oberer und unterer Grenzwert für die Spannung an der Basis b« des Unijiiinctiontransistors 116 gegeben. Der Durchbruch der Doppelbasisdiode 116 hangt toe der Interbasisspannung Ub₁ b_o und der Emitterspannung- U 'ab.

Beim Durchbruch dee Unijunötiontransistors 116 erhält der Auagangetransistor 118 ein Steuersignal*

Ist die Stromrichteranordnung in Bötrieb,, ao liegea as Eingang 130 des Steuersatzes 42 die faktimpulse 50a des iaktoaaillators ^; _; 50..Die Taktimpulse 50a sind an äie Basis des. Transistors 120 .

geführt. Mit ihnen wird der Translator 120 gestellt. Püfert der Transistor 120 Strom, so bricht der Ιοίjimötiöiatranslator. 116 an der Rückflanke jedes Rechteckiapul3@s dur-elsu &m. über iea . . μ Widerstand R, der Strom abfließt. Während der Surckbruchs-Perioden des Uni^unetiontransistora 116 liegt eine friggeram Transistor *18. Be^ Widerstand 1, nnü. iie Kapazität

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Die logischen ITAND-Glieder JS äea Zifferarfotastgrg 5.4 .'mad.' der-Ausgangstransistor 118" des Steuersatzes 42. sind passiv© Glieder,' die .lediglich eine Operation unterbinden oiler eiesa Iiistaiacl 0. erzeugen "können. Die .logische Verknüpfung-des Singaegs des . Schaltkreises 36 mit den. Ausgängen -des. Stokers at s es 42 imcl äes Ziffernabtasters 34 fuhrt zum Zustand i dez¹ programmierten Wellenform*

Durch Steuersignale an uen Eingängen 150, 160 na.d 170 des Steuersatzes 42 wird die- Impulsbreite ei'&ei:- laipMiafolge moduliert, wie sie iß der mit ''piOgraiamierte Wellsaform⁵⁵ be zeichneten Spalte der Fig. 4 aufgezeicheet ist uM msua -erhält Impulsfolgen, wie sie in der. Spalte "modulierte Rechteck-impulse" der Pig. 4 aufgeführt sind. Dei³ Steuersatz 42 eier Fig. 3 bewirkt eine Impulsbreitenmodulation an dar Hüokflanke der Rechteckimpulse. Diese Modulation ist: in !ig. 4 clarge=» , stellt, wo die Impulsbreite unmodulierter Impulse mit gestrichelten Linien eingezeichnet ist.

Mehrere programmierte Wellenformen für eine Einzelbrücke und die zugehörigen impulsbreitenmodulierten Rechteckimpulse sind in Pig. 4 dargestellt. Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß die Anzahl η gleicher Abschnitte oder ScteLtperioden einer programmierten Wellenform" von den Halbleiterbauelementen, die für die Stromrichterbrücke benützt werden und von den Betriebsbedingungen der Anordnung abhängig ist. Die wichtigsten, in der unmodulierten, unter "programmierte Wellenform" aufgeführten Welle enthaltenen Oberschwingungen sind in der Spalte "Oberschwingungsgehalt" angegeben. Die nicht eingeklammerten Zahlen-bezeichnen die Ordnung der Oberschwingung, die einge-1:3.-immerten Zahlen des prozentuale Verhältnis zwischen dem ■'}■- -ndschwin^ungrvgiihalt und dem Oberschwi^-jungöf-ehalt,, Bie

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ρ"·-· ·>^;; \ τ.λ):. "■■'.;■-:·'.ν'^τϊΰϊΓΛ'ΘΩ Oberscliwl£2£p3B©i;iä siaS. Iß ölsses -Spalte 11^:■■■":■ ■<·<!■ ι ζ,; ■"_. / ^ 'i'H'i'i Fi 1st In der Spalte "p^og^asEsiarto

S-' .." . .:■■ "■'" 7^t-^1-;:j1t QiZM naximalea iiBgeEiblictesus^t äes³ 3t?s ο,■ ν ,. :z:;-.7'\ ^r.xr:sL· UsiisaföFB fe©geie!üaet_o liia a eier G-E¹OB

6 aagCag©feQiäG 'js-llsiif GriH gibt aia_s dsi eis ώ 111 fS ©s'ffisieiäb zmz&en μάΒ, asTor äie i::gsspa;aaBiag QiEfeitto Bei ö©ß psOgrsnmle ^aleht oöer 'Has^sslarsite^ lsi allgsia©ineü :: 100 5S₉ uöraiis siöe optimale Ins nutzung

I·;. :'■ '^:...^ri i^:'Il.: 'ΐ ii^cl S aage gehen® itasftiimiugsljelspiel lißt sich cü. xl.^Hi d^ii^csigsii StE⁵OMx=Ieilt©? ©rueiterrio- lnßerdem kann ancL : Iei Doj-jslbrüelrs benutzt wes?eleno Schließlich läßt sich dai- .Vi';-?g&ü£; el31- Sti^oarichterbrücke oder der Stromrichter-"iRbl^a sit eiiäss ejßchronsn Beaoöialator verbinden.

ösfi drei imaaliäßgige, eiapliasjlge Stromrichterschaltkreise au siner clrslpliasigen Stromriehteranordnung zusammengefaßt, so muß jede Phase eInseln spannungsgestauert werden und die Phasen müssen digital In entsprechender Beziehung zueinander gehalten werden» Die Auswahl von WelleQformea₉deren n-TJert durch 3 diff idler bar 1st «,vereinfacht die Logik einer solchen dreiphasigen Anordnung bemerkens\7ert_o Ss können auch vielphasige Stromrichter aufgebaut werden« Auch dabei wird die Anordnung vereinfacht, wenn die Anzahl η ein Vielfaches der Anzahl der Phasen ist.

Werden zwei der in Figo 2 mit 10 bezeichneten Brüeki-n .miteinander kombiniert, so läßt sich der Oberschwingungsgehalt

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verringern und die Stromrichterleistung vergrößern. Me programmierten Wellenformen der beiden Brücken sind der zu unterdrückenden Oberechwiiiguiig phasenverschoben und werden entweder in Serie oder mittels Saugdroeeelspulen.- auf*: i-t· Summiert man swei Wellenformeft des Typs C₅ ti© 10a

24° phasenverschoben sind, so erhält nan eine-Wellenform, wie 'sie' in Fig. 6 dargestellt int. Der fig« ist zudai Oberaehwingungen der 3»_s 5«* 7. Ußi 9» Ordnung.völlig unterdrückt sind. Biese spezielle Wellenform läßt eich datier als eine Kombination von Grundechwingung und 11» Oh auffassen. Bisse Aufsumsieruiig der programmierten I in' einer Itoppelferückenanordnung kann auch bei andere Wellea forsten, die in fig, 4 angegeben ei«#_f angewendet we

Neben der- Verbesserung der OfefRfelleaaaterirlckiKif ilk? ü<s>v t besserten¹ Leistung d#s. Stroarielif«3?s isiiaiaeü In eärcr Ecrpcl«= brlickefianordnufig relativ: langsam -echel teufe leis^iiB^st^aa^: stören verwendet werden»' beispielswftise GcviaaniiiBitrciöolo'jc^cü, €ie in-vielen".der modernen-Stroaricitter nicht vcrwenöPi. uql€& können. Die relativ großen- le.elit«c*;l!apilj'u die adI "ci-'C·^ ι schaltenden' Schaltkreisen ψβι-bun-iea ai«?:, werden ^rJLz -V große Ansahl von laipulsen, die Vf der Iic^olbrfic^L/¹.«il:isg^: erhalten wiröj .Icotspeniiiert» 'du ^Lt .t g<M <"i czwl virl^ 7c£^2«- möglichkeiten für die . Impilstat ."it*jjioötiI&Ll:]ti in <v ^'v: b«; ■ eierten Wellenform, gegeben, sind» " ■ "

Zur.weiteren Yerbesses^unfi- n-lrai >*i ria'jpg npch Mc der besprochenen 'Ausfuhrungs^orff ir !—":q eic la tea* nit dea Ausgang eicca fe- >! V"-i,n»*i1uii kreises verbunden werden· Ein sri^iutisefcea Scael'fiuü-M cia synchronen Umrichters 200 seigt ilic flg» 7· He Str^EcIt.!!'. schaltkreis 25Ö ist eine Brücketianla -mg für ho!ic

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vorgesehen. Im wesentlichen ist i©r Uari©lit©r ein synchron be-= triebener, statischer₅ Zweipolwechselschalter für swei Richtungen ι der mit der Sekundärwindung ©ine® Hoohfrequenzüber- " tragers Ϊ- verbunden ist·

Der synchrone Demodulator ist besoaders für Stromrichteraawendungen geeignet _s bei deaea ein® niederfrequente Ausgangsepaan«ngi beispielsweise ait 60 Hers gefordert wird«, Wegen des synchronen Demodulators können leichte,, relativ kleine Hochfrequenzüberträger anstatt ier feefkdamlicheag großen" liederfrequenztibertrager verwendet we^ädac, die aoaet bei ©iaer Aus=- gangeepannung von 60 Hers as !rüete©a©usg;asg benützt werden

Die fraßsistorea Q^ "bis Q^ ä©f Hoehfrequ^iasbfuck© 250 mit Steuersignalen aßgestsEQLits di© ait öqs Sigaalen ter siiii, öle mit i@ia iigitgyL©a Stomersata 2 erseugt werden -und sich als fastosziiiatoF-ÄmsgaHgssigraai® und inapulsbreitenmoäulierte leeiatec&sigaal© QE®pr@(Slaea lasseao Hechteckimpulse weeliselncler Polarität,, äi© mit H Ibsseiclmet siad₉ liegen daher an der fpimärwiaetaög ä@s Hoelifjfseimeasufeort^ageffs f _Ί.

Die TransiatoFsa Qc bis Q« is©
mit Stemersigaelea ©sig@E)t©u<irt_g fiis Wesfalls ait iea Signalen vepgleiciiliar siai₉ ^i© ait ο©® äigital©a Bt©ia@rsatg 2 ersemgt werden ο Damit wird dig JPolaritit °mafi di© for® der Impulsfolge' beet inset« Bor eh die 'Araasistorea Q₅ bis Qg uer.den ira einer Halbwelle die Impulse iaaterssiiiedlieher Polarität (die in der Impulsfolge L gestri@h@lt eiagegeichaet sind) in lapulse " einheitlicher Polarität uugekütet und I®pul©lück©n in die Impulsfolge L eingefügt ο ES it ü®m syaehroraen Umrichter 200 uaä der Hoehfreqiaenabrücke 250 li®t sieh «nt©r Verwendung eines iiipifllatibertragers daher eine niederfrequente Wellenform L erzeugen »

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Die Spannung des synchronen Umrichters ist hoch» sie liegt beispielsweise bei 150 bis 250 Volt. Es besteht daher die Gefahr eines sekundären Durchbruches für die leiatungatransistoren, falls sie gleichzeitig einem großen Spannungs- und Stromsprutig ausgesetzt sind. Es können jedoch die impulsbreitenmodulierte Brücke 250 und der synchrone Umrichter 200 so getaktet werden, "daß die Stromumkehr im synchronen Umrichter bei einer verschwindend geringen Spannung erfolgt. Um eine Verweilzeit auf •diesen}Spannungswert Null zu erhalten, wird die Brücke mit einer Impulsbreitenmodulation betrieben, die niemals die volle Impulsbreite erreichen läßt. Diese Betriebsweise ist durch die Impulslücken S in der Impulsfolge H angedeutet, Wäiirend dieser kurzen Perioden in denen die Brücke den Laststrom kurzsehielt, d.h. die Transistoren Qg und Qg oder Q₁- und Q-, stromführend sind, kann der synchrone Umrichter in beiden Richtungen Strom führen und die Umkehr der Stromrichtung erfolgt im wesentlichen bei Spannung Null und vernachlässigbarer Verlustleistung. Der sekundäre Durchbruch von Leistungstransistoren ist mit diesem idealen Umschaltpunkt vermieden.

Wegen der Impulsbreitenmodulation wird die Primärseite des Impulsübertragers T₁ im Stromrichterschaltkreis 250 mit Impulsen konstanter Spannungszeitfläche gespeist. Dieser Impulsübertrager ist lediglieh aus zwei Windungen aufgebaut. Er kann mit seinen magnetischen Kern in Sättigungsnähe betrieben werden. Seine Größe und sein Gewicht sind daher sehr klein.

Hinzuweisen ist noch auf die Dioden 17 der Pig. 2, die als Schutz für die Leistungstransistoren Q₁ bis Q. vorgesehen sind, falls von der Last Leistung in die Brücke zurückgespeist wird.

10 Patentansprüche
7 Figuren

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rfcOTED

Claims

Patentansprüche

J Stromr leiteranordnung, die einen UB^iehterssetelttereis ®it Halbleiterbauelementen enthält,^ ste aus ©isos¹ §l©ie3fg@panams^ quelle gespeist ist uacl sdis idr ©ira© Äiaug&ragsjv spannung mit angenähert siaiasfS^Higta Verlsiai

fear sind, deren Anzahl pro Halteell© ä®%> Äwiigaagsweolisel" apannung zur Länge der HalMiGlI© χθ ®ia@© gaaggaJi] hältnis stehen, daß mit ioa Sislstisipialseia ia Qlu<sm generator (36) Rechteckimpuloo amslSsfesis³ UiSi₉ iie is liehen gleiche Inpinlateeiij© tesäte®© ffici i®i ©it de® Hestetteckimpttlsen eia Schaltspiel ies> Halbleiter bauelemente (Q-I — Q*) und danit @inezli2,3giiiiii(g0w©elii!elspas©Bag ©rzQiagbai⁵ sind» die im wesentliche© frei -ψ&η bestiaateoj vorgegebenen Oberschwingungen niedriger Ordnung ist.
2. Stromrichteranordnung na@Ja ABSfEiich I₈ äaiuroh

zeichnet, daß im Impulsgeaerator (36) eine logik vorgesehen. ist, mit der einzelne lechteckiiipMlse auswählbar' zu unterdrücken sind und mit der eine Bechteokimpulsfolge für jede Halbwelle der Ausgang3weehselSpannung eraeiigbar ist, die der vorgegebenen Form der Ausgangswechselspannung entspricht.
3. Stromrichteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die für zwei Halbwellen der Ausgangswechselspannung erzeugten Rechteckimpulsfolgen identisch sind.

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4. Stromrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß jedem Taktimpuls (5Oe) ein Abschnitt der Halbwelle der Ausgangswechselapannutig zuzuordnen ist, daß jede größte Impulsbreite eines Rechteckimpulses ein vielfaches der Länge eines Abschnittes ist, wobei die Länge jedes Abschnittes gegeben ist mit w « worin η die Zahl der Abschnitte ist.
5. Stromrichteranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn-' zeichnet, daß die Anzahl der pro Halbwelle den Sekiimpulsen zuzuordnenden Abschnitte durch 3 teilbar ist.
6. Stromrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuersatz (42) mit wenigstens einem Eingang {130,150,170) und einem Ausgang (140) vorgesehen ist und daß der Ausgang an den Impulsgenerator (36) geführt und nit dem Auegangssignal die Impulsbreite der Impulse einer Rechteekinpulsfolge einheitlich veränderbar ist.
7. Stromrichteranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet* daß die Abstände der Flächen Schwerpunkte der Reeiifeekimpulae einer Rechteckimpulafclge einer festgelegten Beziehung genügen, wobei diese Besiehung im wesentlichen die nickt unterdrückten Oberechwlngttngen bezüglich des tenßä« 8chwingung8wertes der Ausgangsweeheelspannung konstant MIt₀
8. Stromrichteranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang (150) des Steuersatzes (42) mit dem Auegang dts Umriehtarschaltkreises (10) verknüpft iat und daß mit dem Steuersatz Schwankungen der Ausgangawechselspantnung (V₅₃) durch Impulsbreitenmodulation der Rechteckimpulse ans» ' gleichbar sind.

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9.Stromrichteranorclnung nach Anspruch-6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuersatz (42) einen zweiten Ein-, gang (170) aufweist, der mit dem Umriehterschaltkreis (16) verknüpft ist und daB mit dem Steuersatz durch Modulation der Impulsbreite der EechteckimpuLlse der von den Halbleiterbauelementen des Umrichterschaltkreises geführte Strom begrenzter ist.
10. Stromrichtsranordnung nach einem der Ansprüche 6, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuersatz (42) einen dritten Eingang (130) aufweist, der mit der Gleichspannungsquelle (20) verknüpft ist und daß nit ö©a Steuersatz durch Modulation der Impulsbreite der Recht eck impulse GIe ic bespannung s Schwankungen kompensierbar sind»

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