DE2235766A1

DE2235766A1 - Wechselrichterschaltung

Info

Publication number: DE2235766A1
Application number: DE2235766A
Authority: DE
Inventors: Kenneth Gordon King
Original assignee: Westinghouse Brake and Signal Co Ltd
Current assignee: Siemens Mobility Ltd
Priority date: 1971-07-23
Filing date: 1972-07-21
Publication date: 1973-02-15
Also published as: US3839667A; AU4474872A; NL7210036A; FR2147088A1; GB1357427A

Description

PATtNTANWXlTi

DR. E. WIEGAND DIPUNG. W. iJIEMANN

DR.M. KOHLER DIPL-ING. C. GERNHARDT /^&fr, fy f rf

MÖNCHEN . HAMBURG - /CL " // /

U^PrTaUVtVUp₁ fa 1*1.11,%

TtIEFON= 3*5314 ' 2000 HAMBURG 50, QR λ γ>

TClEGIlAMMEcKAItPATENT ICONIGSTRASSE 28 . * *" Λ '*·

W.25 353/72 12/bl . 2235766

Westinghouse Brake and Signal Company Limited, " London (England)

Wechselrichterschaltung,

Die Erfindung bezieht sich auf Wechselrichter und insbesondere auf eine Wechselrichterschaltung, die einen Dreileiter-Dreiphasen-Wechselstromausgang aufweist» .

■

Gemäß der Erfindung ist eine Wechselrichter-' Schaltung geschaffen, die Eingangsanschlüsse für den Anschluß einer Gleichstromquelle, Ausgangsanschlüsse für die Zufuhr eines n-Leiter-n-Phasen-Wechselstromausgangs und einen Antriebsignalgeiierator aufweist, der ein Antriebssignal liefert, welches »" Komponenten der Crundfrequenz des V/echselstrofiiaiisgaags und ungerade Harmonisch« von Ihm enthält, εο daß jede Phasenausgangswelienform harmonische Koniponenten enthält, die in Verbindung mit dan harmonischen Komponenten Von anderen Phasenöpantiüngen , eine sinusförmige Wellenform zwischen .sswei Leiter« eines höheren Wertes als demjenigen ergeben* der von der Gründkompönente jeder Phasenspannung gebildet wird*

₄In einer Sehältuag für einen Dreiphasen-Drelleiter» Ausgang kOnnen die ungeraden Härffiönischen

BAD OBSGlNAL

Triplen-Harmbnische sein.

Die auf das Antriebssignal ansprechende Einrichtung kann ein Verstärker der Klasse B für jede Phase des Ausgangs sein. Die auf das Antriebssignal ansprechende Einrichtung kann ein elektrische Energie umwandelnder Stromkreis sein, der auf ein Steuersignal anspricht, das eine wechselnde Wellenform, besitzt, um einen Ausgang mit wechselndem Potential zu erzeugen, wobei weiterhin eine Einrichtung, die auf einen Nullwert der Steuerwellenform anspricht, um einen Zufuhrpfad zwischen der Quelle und einem Ausgangsanschluß während eines Intervalls zu unterbrechen, wenn dieser Nullwert mit einem Strom des Wertes 0 in dem Zufuhrpfad nicht zusammenfällt, und eine Einrichtung vorgesehen sind, um einen Wechselstrompfad über die Ausgangsanschlüsse des Stromkreises für eine Periode zwischen dem Steuersignal eines Wertes 0 und dem Strom eines Wertes 0 zu vervollständigen, v/ie es in der britischen Patentanmeldung 12326/70 beschrieben ist.

Ein Ausgangstransformator kann für jede auf das Antriebssignal ansprechende Einrichtung vorgesehen sein, um die Ausgangsanschlüsse von der Einrichtung zu isolieren und um zu gewährleisten, daß kein Gleichstrompfad von irgendeinem Eingangsanschluß zu irgendeinem Ausgangsanschluß vorhanden ist. Die Ausgangsanschlüsse können mit einem Dreieck-Stern-Transformator so verbunden sein, daß der Sternpunkt des Sekundärteils des Transformators den neutralen Anschluß für einen Dreiphasen-Vierleiter-Wechselstromausgang schafft.

Gemäß der Erfindung ist weiterhin ein eine Halbleitervorrichtung schützender Stromkreis vorgesehen, der eine Einrichtung enthält, die auf die augenblicklichen Werte des Stromes in und auf die augenblicklichen Werte der Spannung an einer solchen

309807/0851

Vorrichtung, die in einem Wechselrichter angeordnet ist, anspricht, um ein Signal zu;>.erzeugen, welches die augenblickliche Energieaufzehrung in der Halbleitervorrichtung darstellt, wenn diese linear be«- . trieben wird, ferner ein elektrisches Netzwerk, welches die Wärmecharakteristiken der Halbleitervor richtung simuliert, und. eine Einrichtung, die auf den Ausgang des Netzwerks, wenn ihm das Signal zugeführt wird, anspricht, um anzuzeigen, ob ein zulässiger Wärraebetriebszustand überschritten oder nicht überschritten wird.

Das die augenblickliche Energie öder Leistung darstellende Signal kann eine Annäherung darstellen, die aus der Summe von Signalen proportional zu der augenblicklichen Spannung und dem augenblicklichen Strom an der Vorrichtung abgeleitet ist. Das elektrische Netzwerk kann eine Kombination von elektrische Wellen formenden Stromkreiselementen sein, welche die Änderung des relativen Wärmewiderstandes der Vorrichtung mit der Änderung der' Impulsform eines an die Vorrichtung angelegten Signals simulieren.

Gemäß der Erfindung ist ein Antriebssignalger nerator geschaffen, um ein Antriebssignal zu erzeugen einschließlich einer Komponente mit Grundfre-quonz und den Triplen-Harmonischen der Grundfrequenz für jede Phase eines Dreiphasenwechselstroms, wobei in einer Oszillatorschleife ein Integrator für jede Phase, um einen Dreiphasen-Vierle-iter-Ausgäng mit der Grundfrequenz des Wechselstromes zu erzeugenj und eine Einrichtung vorgesehen sind, ura einen Teil der Spitze jeder Phasenwellenform als ein Triplen---Harmonische-Signal zu kombinieren, um den neutralen Punkt des Dreiphasensignals zu verschieben.

Die. Einrichtung zum Kombinieren der Spitzen-r wellenformen kann in einer - ,-.Richtung verlaufende Pfade aufweisen _t ura die Spitze jeder Phasenwellenform

30 H 807/08 51

* 2235768 .₄ .

aufeinanderfolgend einem spannungsempfindlichen Netzwerk zuzuführen, welches nur die Wellenform oberhalb eines gewissen ausgewählten Wertes 2U einem gemeinsamen Lastwiderstand hindurchgehen läßt, dessen entfernt liegendes .Ende an eine Bezugsspannung geschaltet ist, wodurch eine neutrale Verbindung zu dem benachbarten Ende des Lastwiderstandes auf diese Weise verschoben ist. Das spannungsempfindliche Netzwerk kann eine Zenerdiode aufweisen, um den ausgewählten Spannungswert einzustellen. Das spannungsempfindliche Netzwerk kann ein Begrenzer sein mit einer Einrichtung, um die Symmetrie des Begrenzers mit Bezug auf die Bezugsspannung einzustellen.

Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Stromkreises

einer Wechselrichteranordnung. Fig. 2 und 3 zeigen Wellenformen, die für

das Verständnis der Arbeitsweise der Wechselrichteranordnung gemäß Fig. 1 nützlich sind.
Fig, 4 und 5 zeigen Wellenformen, die für

das Verständnis der Arbeitsweise der Erfindung bei Verkörperung in einem Wechselrichter nützlich sind. Fig. 6 zeigt graphische Darstellungen der

Energieaufzehrung in einer Vorrichtung. Fig. 7 zeigt in Blockform ein schematisches

Stromkreisdiagramm. Fig. 8 ist eine graphische Darstellung des

Übergangswärmewidarstandes einer Vorrichtung.

Fig. 9 zeigt ein analoges Netzwerk, Fig.10 bis 12 zeigen Stromkreise, an denen die Erfindung verkörpert ist.

3 0 -Mi Π 7 / 0 B 5 1

Fig«13 zeigt eine Wellenform, die zum Verständnis der Arbeitsweise einer weiteren Ausführungsform der Erfindung nützlich ist.

Fig.14 ist eine schematische Darstellung des Stromkreises eines Weheselrichters,

Fig.15 zeigt ein Stromkreisdiagramm eines

. Wechselrichters mit der Abwandlung gemäß ■ Fig. 13.

Fig.16 zeigt einen anderen Stromkreis mit der Abwandlung gemäß Fig. 13.

Fig. 1 zeigt drei Einphasenwechselrichter 1, 2 und 3 mit je einem Eingangsanschluß 4, 5 bzw. 6

j -

für Anschluß einer individuellen Gleichstromquelle. Eine Quelle von Antriebssignalen für jeden Inverter oder Wechselrichter ist bei 10 dargestellt. Die genaue Form dieser Antriebssignale wird nachstehend beschrieben, es kann jedoch kurz gesagt werden, daß sie so ausgeführt sind,.. * daß die drei Einphasen«* wechselrichter in Dreiphasenverhältnis angetrieben werden, so daß, wenn ein Ausgangsanschluß an jedem Wechselrichter mit einem gemeinsamen Punkt 11 verbunden ist, die anderen Ausgangsanschlüsse 7» 8 und 9 eine Dreiphasen-Dreileiter-Wechselstromzu~ fuhr schaffen. Es ist wesentlich bei dieser Ausführung, daß zwischen irgendwelchen der Ausgangs- . anschlüsse 7, 8 und 9 oder dem Anschluß 11 und irgendeinem der Eingangsanschlüsse 4, 5 und 6 kein Gleichstrompfad vorhanden ist. Um dies zu erreichen, sind entweder die Gleichstromquellen voneinander getrennt, oder jeder Wechselrichter weist einen isolierenden Ausgangstransformator auf.

Der Antriebssignalerzeuger 10 erzeugt für jede Phase eine Komponente mit der Grundfrequenz des geforderten Wechselstromausgangs, wobei die Komponenten sich im richtigen relativen Phasenwinkel

309807/0851

befinden. Zusätzlich schafft der Generator 10 die Reihen von Triplen-Hariaonischen oder einen Teil von ihnen für Jede Grundfrequenzkomponente. Der Ausgang jedes Einphasenwechselrichters reproduziert das komplexe Antriebssignal innerhalb der Grenzen der Genauigkeit des Verstärkers und unter Verwendung von Energie, die von der Gleichstromquelle für diesen Wechselrichter abgenommen oder abgeleitet ist. Die Spannung von Spitze zu Spitze der Ausgangswellenform jedes Wechselrichters beträgt theoretisch das Zweifache der Spannung der Gleichstromzufuhr. Wenn der gemeinsame Punkt 11 mit einem festen Potential verbunden werden müßte, beispielsweise mit Erde, würde die Wellenform an jedem der Ausgangsanschlüsse 7, 8 und 9 die Wellenform des Antriebssignals mit dessen Wert von Spitze zu Spitze sein, und zwar mit Bezug auf das feste Potential. Wenn jedoch der Anschluß 11 "schweben" gelassen wird, verschiebt die Komponente der Triplen-Harmonischen in jeder Phase die Ausgangswellenform mit Bezug aufeinander, während ihre individuellen Spannungen von Spitze-zu-Spitze aufrechterhalten werden, so daß die Phasenspannungen an den Anschlüssen 7, 8 und 9 erhöht werden. Der von einer betreffenden Quelle von jedem Wechselrichter für einen gegebenen Phasenstrom abgezogener Strom ist der gleiche, unabhängig davon, ob der Anschluß 11 an das feste Potential angeschlossen ist oder nicht, so daß wenn der Anschluß 11 schweben gelassen v/ird, die Wirksamkeit der Energie erhöht ist. Diese Erhöhung der Wirksamkeit wird erreicht durch Verbessern des Formfaktors der Ausgangswellenform jedes Inverters, so daß Energie, die sonst in inneren Spannungsabfällen vergeudet werden würde, wenn eine sinusförmige Antriebswellenform angelegt vairde, nunmehr nützlich verwendet und einer

309807/0851

angeschlossenen Last zugeführt wird.

Fig. 2 zeigt die Ausgangsspannungswellenformen an einem Phasenanschluß für eine gegebene Phasenspannung und einen Leitungsstrom, wenn der gemeinsame Anschluß 11 einen festen Wert hat oder schweben gelassen wird* Die Wellenform 21 gilt für einen festengemeinsamen Anschluß und eine Phasenspannuhg V. Der schraffierte Bereich 23 stellt den Spannungsabfall in einem Gegentaktverstärker der Klasse B während einer Viertelperiode dar. Die Wellenform 22 zeigt die Ausgangsspannung für eine Ausführung gemäß der Erfindung, wobei die gleiche Ausgangsenergie wie in dem vorhergehenden Fall erzeugt ist. Jedoch ist der durch den schraffierten Bereich 24 dargestellte Spannungsabfall deutlich, geringer,und demgemäß kann die Zufuhrspannung verringert werden, während dennoch der gleiche Leitüngsstrom erhalten wird. Die Zufuhrspannung kann auf (3) V/2 des vorhergehenden Wertes verringert werden, wenn die gleiche wirksame Spannung von Leitung zu Leitung erhalten werden soll. Der Grund.hierfür ist aus Fig. 3 ersichtlich. Die Kurve 31 ist das Potential von Leitung zu Leitung an zwei der Ausgangsanschlüsse 7» 8 und 9. Wenn der Wechselrichter von einer sinusförmigen Wellenform angetrieben wird, erscheinen die Spitzenwerte Jeder Welle nicht gleichzeitig» Daher muß das Potential von Leitung zu Leitung immer kleiner als das Zweifache der maximalen Auswanderung oder Amplitude während einer Halbperiode der -Wellenform an irgendeinem¹ Anschluß sein. Dies ist durch die beiden Wellen 32 und 33 dargestellt., Wenn jedoch ein Antrieb erfolgt mit der Wellenform, die Triplen-Harmonische enthält, zeigen die Ausgangswellenformen 34, 35 an den beiden Ausgangsanschlüssen die gleiche Wellenform 31 von Leitung zu Leitung,

309Bfl77O851

obwohl der Spitzenwert jeder Wellenform kleiner als der Spitzenwert für die Halbsinuswelle 32 oder 33 ist. Bei der Prüfung der Wellenformen 34 und 35 ist ersichtlich, daß ihre Spitzenwerte gerade übereinstimmen, so daß ein Spitzenwert der Wellenform 31 von Leitung zu Leitung erzeugt wird· Die sinusförmige Wellenform wird auf jeder Seite der Spitze durch die in der Antriebswellenform enthaltenen Triplen-Harmonischen aufrechterhalten. Diese Komponenten erscheinen in der Wellenform von Leitung zu Leitung nicht, daß die Dreileiter ausführung ei»en schwebemden neutralen Punkt hat, uad dies führt zur Löschung der Triplen-Harmonischen, die sonst in der Wellenform von Leitung zu Leitung vorhanden sein würden. Es ist ersichtlich, daß es auf diese Weise möglich 1st, die gleiche Ausgangsspannung wie im Fall des sinusförmigen Antriebs zu erzeugen, und zwar mit einer kleineren Gleichspannungszufuhr für jeden Wechselrichter, was bereits für sich vorteilhaft ist, wobei zusätzlich die Energieverluste in den Wechselrichtern verringert sind, so daß die Wärmemenge verringert ist, die von jedem Wechselrichter aufgezehrt werden muß. Die Ausgangsenergie bleibt die gleiche, da in jedem Fall der gleiche Leitungsstrom abgezogen wird. Der Spitzenwert

1 /2 der Wellenformen 31 gemäß Fig. 3beträgt (3) V, worin V der Spitzenwert der Halbsinuswelle beispielsweise der Welle 32 ist. Da die Wellenformen 34 und 35 in gleicher Weise zu dem Spitzenwert der Wellenform 31 beitragen, ist der Spitzenwert dieser Wellenformen (3) ¹'² V/2. Die maximale Wirksamkeit eines Wechselrichters der Klasse B für eine widerstandsbehaftete Last beträgt 78,5 % bei Sinuswellenbetrieb. Da die Ausgangsenergie konstant ist, ist die Wirksamkeit mit Triplen-Antrieb im umgekehrten Verhältnis der Verringerung der Eingangsspannung erhöht im Vergleich zu Sinuswellenbetrieb. Demgemäß beträgt

3 0 π ■■ Π 7 / ü 3 5 1

die Wirksamkeit nunmehr 78,5 χ 2/ (3) ^Xf& * 90,7 % als theoretisches Maximum, und zwar wiederum für eine widerstandsbehaftete Last. Die praktische Wirksamkeit ist selbstverständlich niedriger, da . ein Streubereich für Komponentenparameter und Spannungsänderung zugelassen werden muß. Jedoch ist selbst dann der praktische Wirkungsgrad wenigstens gleich dem maximalen theoretischen Wirkungsgrad eines Wechselrichters der Klasse B mit Sinuswellenantrieb,

Bei einer bevorzugten Anwendung der Erfindung ist die mit den Ausgangsanschlüssen verbundene Last ein Vollweggleichrichter mit induktiver Glättung, der so angeschlossen ist, daß Strom während 120 Grad jeder Halbperiode abgezogen wird. Fig. 4 zeigt den Leitungsstrom und eine Phasenwellenform für eine Halbperiode an einem Ausgangsanschluß. Da Leitungs— strom nur während 120 Grad der Halbperiode von 180 Grad abgezogen wird in quasi Rechteckform, tritt Energieverlust zufolge der Wellenform in den Wechselrichtern nur für 30 Grad-Perioden auf jeder Seite der ebenen Oberseite von 60 Grad der Wellenform auf. Die Verluste sind demgemäß im Vergleich zu dem Fall des Sinuswellenantriebs noch stärker' verringert, und der theoretische maximale Wirkungsgrad wird auf 95,5 % erhöht. Dieser Wert des Wirkungsgrades wird selbstverstädnlich verringert, wenn in dem Gleichrichter ein Kondensatoreingangsfilter verwendet wird. Eine Verringerung ergibt sich ebenfalls, wenn eine Kommutatorinduktanz in dem Wechselrichter verwendet wird, da.dadurch der Strom in der Leitung trapezförmig wird, wodurch die Verluste für eine kurze Periode nach'TT/o erhöht werden und die Wellenform 'über 51Γ/6'erstreckt wird, wodurch.sich hier weitere Verluste ergeben. In einem praktischen Fall sollte der Wirkungsgrad wenigstens so soch

3 0H_: 0 7/085 1

sein wie bei einer widerstandsbehafteten Last, d.h. etwa bei 78 % liegen. Dieser Wert kann verglichen werden mit dem praktischen Wert für den Wirkungsgrad von 67 % bei konventionellem Sinuswellenantrieb.

Aus Vorstehendem ist ersichtlich, daß der Wirkungsgrad des Wechselrichter von der Art der Last abhängig ist", die von ihm gespeist wird. Wenn ein Wechselrichter mit einer besonderen Art von Last arbeiten soll, wird er nur mit der entsprechenden Wärmeaufzehrungskapazität für diese Last hergestellt. Wenn die Art der Last geändert wird, oder wenn die Betriebsbedingungen auf andere Weise derart geändert werden, daß eine größere Wärmemenge aufgezehrt werden muß, ergibt sich wahrscheinlich eine Beschädigung des Wechselrichters.

Schutzvorrichtungen, die bei Ansprechen auf den von dem Wechselrichter von seiner Zufuhr abgezogenen Strom arbeiten, schaffen keinen Schutz gegen diese Art von Überlastung, da der Zufuhrstrom üblicherweise nicht anzeigen kann, welcher Anteil der zugeführten Energie in dem Wechselrichter aufgezehrt wird und welcher Anteil an die Last angelegt wird. Demgemäß kann in dem oben beschriebenen Fall eines Dreiphasengleichrichters mit induktiver Glättung ein Kurzschluß einer Phase Verschiebung dar Stromwellenform mit Bezug auf die Spannungswellenform hervorrufen, und die Perioden starken Stromflusses in den aktiven Vorrichtungen in dem Inverter stimmen nicht mehr mit den Perioden geringen Spannungsabfalls überein. Demgemäß v/ird die Aufzehrung in einer Vorrichtung beträchtlich bergrößert, selbst wenn der von der Quelle abgezogene Strom sich nicht ändert, Fig. 5 zeigt die Wirkung dieser Phasenverschiebung. Die Aufzehrung in einer solchen Vorrichtung hat zwei kritische Parameter. Zunächst die durchschnittliche

3 0ίΜ 0 7 /005 1

Aufzehrung während einer längeren Zeitperiode, und dann die augenblickliche Aufzehrung. Die augenblickliche Aufzehrung ist besonders kritisch, wenri sie dazu führt, daß einem Teil der Vorrichtung Wärme in größerem Ausmaß zugeführt wird, als mit der Wärmeleitfähigkeit der Vorrichtung Wärme zu einer Wärmesenke übertragen werden kann* Daher ergibt einfaches Messen der Temperatur der Wärmesenke oder der Durchschnittstemperatur der Vorrichtung keinen vollständigen Schutz, während das volle Potential der Vorrichtung ausgenutzt wird.

Eine übliche Art der Spezifizierung der sicheren ,Energieaufzehrung in einer Vorrichtung ist in Fig. 6 dargestellt. Eine Kurvenschar ist für verschiedene Impulsbreiten auf Spannungs- und Stromachsen aufgetragen, die sich zwischen maximalen Stromnennwerten und Spannungsnennwerten erstrecken, die durch achsenparallele Linien dargestellt sind, Fig. 6 zeigt weiterhin eine solche Kurve, die an --.. logarithmischen Achsen aufgetragen ist, um eine geradlinige Charakteristik zu erzeugen. Die Kurven gemäß Fig. 6 basieren auf einem Parameter der Vorrichtung, der als Ubergangswärmewiderstand bezeichnet wird. Dies ist eine Größe, deren Wert von der Dauer des angelegten Impulses und von dsr Energie abhängig ist. Die augenblickliche Aufzehrung muß gesteuert werden, um sogenannte heiße Punkte zu. vermeiden, an denen sich Wärme schneller ansammelt, als sie von der Wärmeleitfähigkeit der Vorrichtung aufgezehrt werden kann, Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung dieser Größe, aufgetragen über der Impulsdauer auf relativer Basis, für die Vorrichtung, die durch die Nummer 2 N 3773, ein Transistor, indentifiziert ist.

Diese Charakteristik kann durch ein elektrisches analoges Netzwerk dargestellt werden, und wenn Signale, welche Strom und Spannung hinsichtlich Große

07/08 5 1

und Dauer darstellen, an das Netzwerk angelegt werden, wird ein Ausgang erhalten, der den Aufzehrungswert in der Vorrichtung darstellt. Fig. 7 zeigt ein schematisches Diagramm eines Stromkreises, um dieses auszuführen. Signale, welche die augenblicklichen Werte von Strom und Spannung in bzw. an einer linear betriebenen Vorrichtung darstellen, wobei die Vorrichtung in diesem Fall ein Transistor ist, werden in einem Vervielfacher 72 kombiniert, um ein Signal zu erzeugen, welches die augenblickliche Energie in der Vorrichtung darstellt. Dieses Signal wird an das analoge Netzwerk 73 angelegt, welches das elektrische Modell der Wärmecharakteristiken der Vorrichtung ist. Der Ausgang dieses analogen Netzwerkes ist ein Signal, welches die Aufzehrung in der Vorrichtung darstellt, und dieses Signal wird an einen Pegeldetektor Jk angelegt, der ein Auslösesignal oder irgend ein arideres geeignetes Warnsignal erzeugt, wenn das Aufzehrungssignal von dem analogen Netzwerk übermäßig stark ist.

Jedoch ist ein analoges Netzwerk, welches erforderlich ist, um eine vollständige Modelldarstellung der Wärmecharakteristik einer Vorrichtung, beispielsweise eines Transistors oder eines Thyristors, zu erhalten, außerordentlich komplex. Wenn diese Vorrichtung beispielsweise in einem Wechselrichter, der mit beispielsweise 400 Hz arbeitet, verwendet wird, wird diese Vorrichtung wahrscheinlich nur kennzeichnenden Impulsen einer Dauer zwischen 0,2 und 2,0 ms ausgesetzt. Für diesen Bereich ist es möglich, ein elektrisches Netzwerk zu erzeugen, welches ein Ansprechen hat, das der relativen Wärmewiderstandscharakteristik annähernd gleichwertig ist, und zwar unter Verwendung von Stromkreiseleinenten für eine Stufe

30 9 807/0351

und eine Zeitkonstante. Die Kurve 81 in Fig. 8 zeigt die elektrischen Charakteristiken eines solchen Stromkreises, und der Stromkreis selbst ist in Fig. 9 wiedergegeben, in welcher die verketteten Kreise eine Stromquelle darstellen, deren Wert von der Leistung (oder dem Strom) in der Halbleitervorrichtung abhängt, deren Wärmeübergangsansprechen " mittels des Stromkreises modelliert werden soll. Wenn der Wert der Stromquelle eine Stufenänderung (d.h. eine augenblickliche Änderung im Wert), z.B., eine Zunahme von i erfährt, wird die Spannung an dem Stromkreis um eine Stufe von i.R(O,09) erhöht, wobei R(O,09) der eine Widerstand und R(O,91) der andere Widerstand ist. Dies ist so, weil der Kondensator tatsächlich den anderen Widerstand anfäng- ^N lieh überbrückt. Danach erhöht sich die Spannung mit einer Zeitkonstanten T = C₁ . 0,09 x 0,91/ (0,09 + 0,91) aufgrund der effektiv parallelgeschalteteri Widerstände. Auf diese V/eise kombiniert der Stromkreis gemäß Fig. 9 die Stufenr und Zeitkonstantenelemente in einem Netzwerk.

Wenn eine engere Anpassung an die·Wärmewiderstandscharakteristik erforderlich ist, kann ein weiteres Zeitkonstantenelement an dem Kurzzeitende des Bereichs'hinzugefügt werden. Jedoch liegt der Fehler in der dargestellten Charakteristik auf der sicheren Seite.

Die Energieaufzehrung in einer Vorrichtung erfordert üblicherweise weitere Begrenzung der Extremwerte von Strom und Spannung, und dies ist durch unterbrochen gezeichnete achsparallele Linien in Fig. 6 dargestellt. Zwischen diesen Grenzen stellt eine gerade Linie eine enge Annäherung an die rechteckige Hyperbel dar, welche konstante Energie darstellt, wobei weiterhin die Annäherung auf der sicheren Seite liegt.

309 807/08 51

Somit kann die Energie anstatt, daß sie als das Produkt aus Spannung und Strom ausgedrückt wird, als die Summe von Spannung und Strom ausgedrückt werden, und es kann eine ausreichend gute Annäherung an die augenblickliche Energieaufzehrung erhalten werden, indem der Spannung und dem Strom proportionale Signale addiert werden· Fig. 10 zeigt einen Stromkreis der in Fig. 7 dargestellten Art, der durch die oben beschriebenen Annäherungen vereinfacht ist. Ein getrennter Stromkreis müßte für die Transistoren verwendet werden, die mit der positiven und der negativen Zufuhr verbunden sind, jedoch können beispielsweise in einem Mehrphasenwechselrichter alle Transistoren auf einer Zufuhrleitung mit einem gemeinsamen Pegeldetektor verbunden werden. Fig. 11 zeigt eine Ausführung, bei welcher mittels Transformatorkopplung alle Schutzstromkreise auf dem gleichen Potential betrieben werden und nur ein Pegeldetektor erforderlich ist. Einzelne Addierstromkreise sind selbstverständlich noch erforderlich, da die Augenblickskomponenten für jede Vorrichtung getrennt betrachtet werden müssen.

Die Anwendung des Ausganges des Pegeldetektors zum Schützen des Stromkreises ist für den Fachmann bequem ersichtlich. Falls erforderlich, kann der Schwellenwert des Pegeldetsktors mit der Umgebungstemperatur oder mit der Temperatur der Wärmesenken der Vorrichtungen verkettet werden. Auf diese Weise kann voller Vorteil aus irgendeiner Erhöhung der Aufzehrfähigkeit bei niedrigen Temperaturen gezogen werden.

Fig. 12 zeigt in Blockform ein schematisches Diagramm eines Antriebssjignalgenerators, der für den oben beschriebener! Zweck geeignet ist. Der Generator umfaßt drei Integrierstufen, eine für ,jede Phase, deren jede einen Funktionsverstärker aufweist. Ein

309 P, 07/0851

2235768

geeigneter Funktionsverstärker sit ein Verstärker der Firma Fairshield Ine der No· A 709 C. Eine Oszillatorschleife ist von den drei Integrierstufen 121, 122 und 123 in Reihe gebildet. Der Ausgang jeder Stufe bildet eine der drei Phasen der Grundkomponente des Wechselstromantriebssignals. Die Schleife ist mit Amplitudenbegrenzung und Schleifenverstärkungssteuerungen 124 bzw. 125 versehen, und diese Steuerungen ermöglichen zusammen mit den Balancesteuerungen, die durch die einstellbaren Abzapfpunkte an Widerständen 135, 136 und 137 für die Phasenausgänge vorgesehen sind, die Einstellung der Schleife derart, daß die geforderten sinusförmigen Dreiphasenausgangswellenform erzeugt werden. Die sinusförmigen Ausgangswellenformen werden dann an . einen Wellenförmstromkreis angelegt, in welchem die Triplen-Harmonischen erzeugt werden. Dieser Stromkreis enthält für jede Phase zwei entgegengesetzt gepolte Dioden (126 bis 131), wobei die Dioden jeder Polarität an einen gemeinsamen Punkt geschaltet sind. Jeder gemeinsame Punkt ist über eine individuelle Zenerdiode 132 bzw. 133 und einen gemeinsamen Last-Widerstand 134 an den neutralen Punkt des Dreiphasen-' ausgangs des Oszillators geschaltet. Die Zenerspannüng der Zenerdioden 132 und 133 ist so gewählt, daß, wenn die entsprechende der Dioden 126 bis 131 bei Auftreten eines Spitzenwertes einer Phase der sinusförmigen Wellenform leitet, die Zenerdiode leitend wird, um die Spitze dieser Wellenform abzuschneiden und mit ihr eine Spannung an dem gemein^ samen Lastwiderstand 134 zu erzeugen. Durch entsprechende Wahl der^Zenerspannung im Hinblick auf den Spitzenwert der sinusförmigen "Wellenform ist eine Spannung an dem gemeinsamen Lastwiderstand, gemessen an dem Punkt N, die erforderliche Triplen-Harmonische, Diese Triplen-Komponente*. welche den neutralen Punkt

309807/0 851

verschiebt, verschiebt daher auch die betreffende Phasenspannung in der gleichen Weise und die abgeschnittene oder gekuppte Sinusform wird durch die Triplen-Komponenten vermehrt, um die geforderte Antriebswellenform zu erzeugen. In einem Oszillator, der in der oben beschriebenen Weise ausgeführt ist, hat die sinusförmige Ausgangswellenform eine Spitzen-

leitungsspannungs von 16 Volt, und jede der Zenerdioden 132, 133 hat eine Nennspannung- von 8,2 Volt, um die erforderte Triplen-Harmonischen erzeugen.

Es ist wesentlich, daß die Zenerdioden genau angepaßt oder abgestimmt sind, da von dieser Anpassung oder Abstimmung die richtige Bildung der Triplen-Komponente abhängt. Eine alternative Ausführung, welche einige der Probleme der Anpassung oder Abstimmung vermeidet, verwendet zwei Transistoren entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, und zwar jeweils einen anstelle jeder Zenerdiode. Die beiden Basen der beiden Transistoren sind an einen Balancestromkreis geschaltet, der ein anderer Transistor sein kann, der von einem Potentialteiler angetrieben ist, welcher von einem Emitterfolger erregt ist, so daß die Komponenten der Triplen-Harmonischen genau ausbalanciert werden können.

Andere Formen von Antriebssignalgeneratoren, in denen eine Triplen-Harmonische erzeugt werden kann, sind selbstverstädnlich in gleicher Weise zur Verwendung bei der Erfindung geeignet.

Eine Abwandlung der V/echseirichterausführung gemäß vorstehender Beschreibung ist durch die Wellenform in Fig. 13 dargestellt, die mit der Darstellung gemäß Fig. 2 verglichen werden sollte. Der schraffierte Verlustbereich 24 in Fig. 2 kann weiter mit Bezug auf den Bereich 23 verkleinert werden, indem zu irgendeinem Zeitpunkt für die Inverter gemäß Fig. 1 eine Zuführspannung geschaffen wird, die lediglich für den

3O:UjO7/ UU 5 1

Wert der Ausgangsspannungswellenform 22 zu diesem Zeitpunkt ausreichend ist. Eine zweckmäßige praktische Ausführung, mit welcher eine Annäherung hieran erreicht wird, ist auf der linken Seite der Fig. 13 dargestellt, wo der schraffierte Bereich 131 den Verlust anzeigt, wenn der Wert der Zufuhrspannung über zwei niedrigere Werte V, und V^ stufenweise auf V^ gebracht wird, und zwar während des Zeitintervalle, in welchem der Wert voniot von O auf θρ sich ändert*- Der negativ-gehende Teil der Ausgangsspannungseilenform würde in ähnlicher Weise behandelt werden ,indem bei Θ, und G^ geschaltet wird, wenn^t gegen den Wert TT" geht.

Fig. 14 zeigt ein Stromkreisdiagramm eines Inverters, welcher einer der Inverter 1, 2 oder 3 gemäß Fig. 1 sein kann, wobei ein Einphasenausgang erzeugt wird,-

Fig. 15 zeigt, wie dieser Inverter angeordnet werden könnte, um die Wirkung zu erzeugen, daß er mit einer Spannung gespeist wird, deren Wert sich stufenförmig ändert. In der Praxis ist die Stufenschaltung der Eingangsspannung weniger zweckmäßig als die nachstehend angegebene-Arbeitsweise zur Erzielung dieser Wirkung. Der Primärteil des Ausgangstransformators 151 des Inverters hat Abzapfstellen entsprechend der Ausgangsspannung für die Werte V^ und VV der Ihverterzufuhr und vier Gruppen von Schaltelementen 152, 153, 154, 155, wie Transistoren, um die geeignete Abzapf- oder Abgriffstelle des Transformators unter der Steuerung nicht dargestellter Mittel zum richtigen Zeitpunkt ϊαϊΐ dem Inverter zu verbinden. Da der Transformator 151 der Ausganstransformator des Inverters ist, wird, wenn gemäß Fig. 13 '-^ύ t gleich 0 ist, der gesamte Primärteil dazu verwendet, die Wirkung zu erzeugen, daß den Ausgangsanschlüssen des Inverters eine Spannung des Wertes "V_v.

3 Q fl -0 0 7/0 0 B 1

— "ο —

zugeführt wird. Wenn somit {ύ t gleich Q^ ist, wird durch das Arbeiten der Schaltelemente der Primärteil auf den Zwischenpunkt 157 abwärts abgegriffen, entsprechend einer Zufuhrspannung V₂, und, wenn Cut gleich ©ο ist, auf den kleinsten Abschnitt des Primärteils für den Spannungswert V^ abwärts gegriffen. Durch das Abwärtsabgreifen des Primärteils auf diese Weise wird das Aufwärtstransformationsverhältnis des Transformators erhöht, und es wird am Ausgang eine Erhöhung der Zufuhrspannung erzielt. In ähnlicher Weise wird die Zufuhrspannung durch Schalten der Abgriffe beiLüt gleich Θ-, undO/ (in Fig. 13 nicht dargestellt) stufenweise von V^ abwärts über V₀ auf V, geschaltet. Die Dioden in den Schaltelementgruppen gemäß Fig. 15 schützen die Transistoren gegen übermäßige Rückwärtsspannung V-

Fig. 16 zeigt eine Abwandlung des Stromkreises gemäß Fig. 15 in Übereinstimmung mit der britischen Patentanmeldung 12326/70. Diese Abwandlung beseitig zwei Gruppen von Schaltelementen und schafft stattdessen für jede einen Transistor 161 bzw. 162 (und Dioden 163, 164, falls erforderlich) in Übereinstimmung mit der oben genannten Anmeldung.

Steuerstromkreise zum zeitlichen Steuern des Schaltens der Elemente der Gruppen beispielsweise bei den Werten Θ.., Q₂ usw_s sind für den Fachmann dieses Gebietes leicht zu gestalten, so daß sie weder in der Zeichnung dargestellt noch in der Beschreibung im einzelnen beschrieben sind.

Ein wichtiger Vorteil der Verwendung der Wirkungen einer Stufenzufuhr wird bei Betrachtung der Fig. 5 ersichtlich. Bei einer reaktiven Last fällt der starke*Strom nicht mit niedrigem Transistorspannungsabfall (siehe Fig. 5b) zusammen, wie es bei einer widerstandsbehafteten Last der Fall ist. Daher nimmt die Aufzehrung von Energie in dem

3 O J)H Π 7 / Ü 8 5 1

Transistor des Inverters zu im Vergleich mit dem widerstandsbehafteten Fall, so daß die Energieübertragungskapazität des Inverters auf reaktive Lasten begrenzt ist. Durch Begrenzen der Zufuhrspannung, wenn der Transis^orspannungsabfall hoch ist, wird die Aufzehrung in der Vorrichtung verringert, und die Nennenergieübertragung'auf eine widerstandsbehaftete Last wird für einen größeren Bereich von Werten von reaktiven Lasten aufrechterhalten· Auf diese Weise kann ein kleinerer Inverter zur Speisung einer gegebenen reaktiven Last verwendet werden, wobei weiterhin der erforderliche Energieeingang verringert ist. Eine solche Einsparung an Energie und Größe des Inverters ist von beträchtlicher Bedeutung bei Fahrzeugausrüstungen, da eine Einsparung hinsichtlich des Gewichtes irgendeines Generators und seiner zugeordneten Antriebsmaschine sowie bei irgendwelchen Batterien und dem Inverter selbst erzielt wird« - ' ■ -

3 0 π 8 0 7/0851

Claims

Patentansprüche

1« Wechselrichterschaltung, gekennzeichnet durch Eingangsanschlüsse für den Anschluß einer Gleichstromquelle, Ausgangsanschlüsse für die Zufuhr eines Wechselausgangs mit η-Phasen und n-Lei- tern, einen Antriebssignalgenerator, um ein Antriebssignal zu schaffen, welches Komponenten mit der Grundfrequenz des Wechselausgangs und ungerade Harmonische davon enthält, wodurch Jede Phasenausgangsv/ellenform Harmonische Komponenten enthält, die in Verbindung mit den Harmonischen Komponenten anderer Phasenspannungen zu einer sinusförmigen Wellenform von Leitung zu Leitung eines höheren Wertes führen als dem Wert, der durch die Grundfrequenz jeder Phasenspannung erhalten wird.

2. Schaltung nach Anspruch 1, für einen Dreiphasen-Dreileiter-Wechselausgang, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebssignalgenerator ein Antriebssignal erzeugt, dessen ungerade Harmonische die Triplen-Harmonischen sind.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf das Antriebssignal ansprechende Einrichtung ein Verstärker der Klasse B für jede Phase des Ausgangs ist.

A, Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die auf das Antriebssignal ansprechende Einrichtung ein Stromkreis zum Umwandeln elektrischer Energie ist, der auf ein Steuersignal anspricht, welches eine Wechselwellenform hat, urn einen Ausgang mit Wechselpotential von einer Quelle von Einrichtungspotential ( zu erzeugen, eine Einrichtung vorgesehen ist, die auf den"Wert 0 der Steuerwellenform anspricht, um einen

0 9 H 0 7 / (J 8 5 1

Zufuhrpfad zwischen der Quelle und einem Ausgangsanschluß für ein Intervall zu unterbrechen, wenn der Wert O nicht mit einem Stromwert 0 in dem Zufuhrpfad übereinstimmt, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, um einen Wechselstrompfad an den Ausgangsanschlüssen des Stromkreises für eine Periode zwischen dem Wert 0 des des Steuersignales uni dem Wert O.des Stromes zu vervollständigen.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Ausgangstransformator für jede auf das Antriebssignal ansprechende Einrichtung, um die Ausgangsanschlüsse von der Einrichtung zu trennen und zu gewährleisten, daß kein Gleichstrompfad von irgendeinem Eingangsanschluß zu irgendeinem Ausgangsanschluß vorhanden ist_e

6. Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsanschlüsse an einen Dreieck-Stern-Transformator derart geschaltet sind, daß der Sternpunkt des Sekundärteils

dgs Tranformators den._rneu±ralen Anschluß,

fur einen Dreipnasen-VierleiTer-Wecnselstromausgang schafft.

7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebssignalgenerator zum Erzeugen eines Antriebssignals mit einer Komponente mit Grundfreauenz und mit Triplen-Harmonischen der Grundfrequenz für jede Phase eine,s Dreiphasenwechselstromes in einer Oszillatorschleife einen Integrator für jede Phase, um einen Dreiphasen-Vierleiter-Ausgang bei der Grundfrequenz des Wechselstromes zu erzeugen, zusammen mit einer Einrichtung aufweist, um einen Teil der Spitze jeder Phasenwellenform als ein Triplen-Harmonische-Signal zu "kombinieren, um den neutralen Punkt des Dreiphasen-Signals zu verschieben.

8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Kombinieren der

3 0 9 8 Π 7/0851

Spitzenwellenformen in einer Richtung verlaufende Pfade aufweist, um die Spitze jeder Phasenwellenform aufeinanderfolgend an ein spannungsempfindliches Netzwerk anzulegen, um zu ermöglichen, daß nur die Wellenform oberhalb eines gewissen ausgewählten Wertes zu einem gemeinsamen Lastwiderstand gelangt, dessen entfernt liegendes Ende an eine Bezugsspannung

geschaltet isfc, wodurch eine neutrale Verbindung zu den benachbarten Ende des Lastwiderstandes auf diese Weise verschoben ist.

9. Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das spannungsempfindliche Netzwerk eine Zenerdiode aufweist, um den ausgewählten Spannungswert einzustellen. ,

10. Schaltung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das spannungsempfindliche Netzwerk ein Begrenzer ist, der eine Einrichtung aufweist, um die Symmetrie des Begrenzers mit Bezug auf die Bezugsspannung einzustellen.

11. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch einen Schutzstromkreis für eine Halbleitervorrichtung in der Wechselrichterschaltung mit einer Einrichtung, die auf die augenblicklichen Werte des Stromes in der Vorrichtung und der Spannung an der Vorrichtung anspricht, um ein Signal, welches die augenblickliche Energieaufzehrung in der Vorrichtung, wenn sie linear betrieben wird, darstellt, zu erzeugen, einem elektrischen Netzwerk, welches die Wärmecharakteristiken der Vorrichtung simuliert, und mit einer Einrichtung, die auf den Ausgang des Netzwerkes anspricht, wenn sie mit dem Signal versorgt wird, um anzuzeigen, ob ein zulässiger WSrmebetriebszustand überschritten ist oder nicht.

12. Schaltung nach Anspruch 11, dadurch gekenn-

7/0851

zeichnet, daß das die augenblickliche Energie darstellende Signal eine Annäherung ist, die von der Summe von Signalen proportional zu der augenblicklichen Spannung und dem augenblicklichen Strom an der Vorrichtung abgeleitet ist*

13. Schaltung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Netz werk eine Kombination aus elektrische.: Wellen formenden Stromkreiselementen ist, welche die Änderung des relativen Wärmewiderstandes der Vorrichtung mit der Änderung der Impulsform eines an die Vorrichtung angelegten Signales simulieren.

14. Schaltung nach Anspruch 13", dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Netzwerk Stufen-Stromkreiselemente und Zeitkonstantenelemente enthalt,.

15. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, um die Energieaufzehrung in dem Inverter während des Übergangs der Ausgangsspannungswellenform von einem Extremwert zu dem anderen Extremwert zu begrenzen, und um die relativen Werte der Zufuhrspannung und der Ausgangsspanrmng des Inverters während des Überganges einzustellen"»

16» Schaltung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung stufenförmig erfolgt.

17. Schaltung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die stufenweise Einstellung ausgeführt wird durch Schaltelemente, welche entsprechende Teile eines Ausgangstransformators "zwischen'den Wechsel' richter und eine Last schalten.

18. Schaltung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung ausgeführt wirddurch Schalten einer Zuführspannung eines Bereichs von Werten der Zufuhrspannung an den Wechselrichter.

30 9 0.0 7 / 0 8=51

Leerseite