DE2239433A1

DE2239433A1 - Schaltungsanordnung zum speisen eines verbrauchers mit einer hochfrequenten wechselspannung

Info

Publication number: DE2239433A1
Application number: DE19722239433
Authority: DE
Inventors: Otto Kreutzer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-08-10
Filing date: 1972-08-10
Publication date: 1974-02-21
Also published as: NL7310157A; IT992820B

Description

Schaltungsanordnung zum Speisen eines Verbrauchers mit einer hochfrequenten WechselsPannung Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Speisen eines Verbrauchers mit einer hochfrequenten Wechselspannung, die aus einer Gleichspannung über einen Polwechsler mit Halbleiterschaltelementen und einem Kondensator gewonnen wird.
Zur Erzielung einer hohen Drehzahl bei Wechseistrommotoren ist es bekannt, einen Motor aus einer gleichgerichtaten Wechselspannung über einen Halbleiter enthaltenden Wechselrichter mit einer Frequenz von z.B. 1000 Hz zu betreiben (siehe Schweizer Patentschrift 390 370). Der Wechselrichter ist als Polwechsler ausgebildet, der vier steuerbare Halbleiterschaltelemente enthält, welche die Ständerwicklungen in wechselnder Folge und wechselnder Polarität so an zwei mit der Gleichspannung.+quelle verbundene Kondensatoren legen, daß ein Drehfeld erzeugt wird. Die Halbleiterschaltelemente werden dabei abhängig von der Läuferstellung geschaltet.
Eine derartige Anordnung ist auch zur Erzeugung von Ultraschall u.dgl. verwendbar. Die Anordnung ist jedoch aufwendig, da u.a. Kipp- und Verstärkerstufen für die Steuereinrichtung des Polwechslers erforderlich sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine größere Einfachheit bei Steigerung des elektrischen Wirkungsgrades zu erzielen. Die Lösung der Aufgabe besteht bei einer Anordnung der eingangs genannten Arf darin, daß der Polwechsler aus zwei steuerbaren Halbleiterschaltelementen besteht, die über eine vom Strom oder der Spannung des Verbrauchers beeinflußte Steuereinrichtung derart gesteuert sind, daß abwechselnd der Verbraucher über den Kondensator an der Gleichspannungsquelle liegt und der geladene Kondensator unter Abtrennung von der Gleichspannungsquelle und Bildung eines Umschwingkreises auf den Verbraucher geschaltet wird. Auf diese Weise kommt man mit wesentlich weniger Bauelementen aus als bisher, wobei die Wärmeentwicklung ganz wesentlich herabgesetzt wird. Dadurch wird die Unterbringung in unmittelbarer Nähe des Verbrauchers oder in einem geieinsamen Gehäuse mit dem Verbraucher erleichtert. Darüber hinaus wird der Wirkungsgrad verbessert und die Betrlebssicherheit erhöht, da der Verbraucherstrom nur über Jeweils ein inniges Halbleiterschaltelement geführt wird. Auch die Startworgänge, z.B. bei einem Motor oder Verbraucher mit negativer Strom-Spannungs-Charakteristik,werden ungefährlicher, weil der Kondensator und die im Verbraucherstrompfad vorhandene Induktivität (z.B. des Verbrauchers oder einer zusätzlichen Drossel) zugleich als Strombegrenzung dienen und eine für die Halbleiterschaltelemente und den Verbraucher glinstige Kurvenform des Stromes erzielt wird. Da kein Leistungetransformator verwendet zu werden braucht, fließt bei nicht angeschlossenem Verbraucher oder bei Unterbrechungen an den Eingangsklemmen des Verbrauchers durch äußere Einflüsse auch im Polwechaler praktisch kein Strom, so daß die Schaltungsanordnung entlastet ist.
In der Zeichnung sind zwei Ausfishrungsbeispiele der Erfindung und in den Unteransprüchen gekennzeichnete Ausgestaltungen dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine Anordnung zur Speisung eines Verbrauchers mit induktiv-ohmschen Widerstand und Fig. 2 eine Anordnung zur Speisung eines Verbrauchers mit negativer Strom-Spannungs-Charakterietik und Fig. 3 eine gerätetechnische Ausführungsmöglichkeit.
In Fig. f ist mit 1 eine Wechselspannungsquelle bezeichnet, deren Spannung über eine Gleichrichteranordnung 2 gleichgerichtet und durch den Glättungskondensator 3 geglättet wird. Die Gleichspannung Ug wird über einen Polwechsler 4 mit Halbleiterschaltelementen in eine hochfrequente Wechselspannung umgeformt. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung besteht der Polwechsler 4 aus zwei steuerbaren Halbleiterschaltelementen 6 und 7, die über eine von der Spannung des Verbrauchers 5 beeinflußte Steuereinrichtung 9 derart gesteuert sind, daß abwechselnd der Verbraucher 5 über den Kondensator 8 an der Gleichspannung Ug liegt und der geladene Kondensator 8 unter Abtrennung von der Gleichspannung und Bildung eines Umschwingkreises auf den Verbraucher 5 (z.B. Induktionsmotor) geschaltet wird.
Vorzugsweise i das erste Halbleiterschaltelement 6 in Stromführungsrichtung der Gleichspannung Ug in einem zum Verbraucher 5 führenden Leitungspol N angeordnet, während das zweite Halbleiterschaltelement7 ebenfalls in Stromführungsrichtung der Gleichspannung Ug die aus der Gleichspannungsquelle und dem in einem Leitungspol N liegenden ersten Halbleiterschaltelement 6 gebildete Reihenschaltung überbrückt. Mit einer soien Anordnung erhält man positive und negative Spannungshalbwellen, deren Aplitude etwa der speisenden Gleichspannung Ug entspricht.
Nach dem Schließen des Schalters ia wird der Glättungskondensator 3 auf den Spitzenwert der angelegten Netzwechselspannung sufgeladen. Das steuerbare erste Halbleiterschaltelement 6 sei dabei über die Steuereinrichtung 9 durchgeschaltet, so daß ein Strom über den positiven Leitungspol P, den Kondensator 8, den Verbraucher 5 und das steuerbare Halbleiterschaltelement 6 zum negativen Leitungspol N fließen kann. Damit wird der Kondensator 8 mit der eingezeichneten Polarität aufgeladen. Mit zunehmender Aufladung nimmt der Stromfluß selbsttätig ab. Nach Aufladung des Kondensators 8klingt der Strom auf den Wert Null ab und das steuerbare Halbleiterschaltelement 6 wird stromlos.
Sodann wird durch die Steuereinrichtung 9 das steuerbare Halbleiterschaltelement 6 gesperrt (Sperrspannung am Ausgang 12) und das steuerbare Schaltelement 7 geöffnet. Damit wird der Verbraucher während einer Halbperiode von der Gleichspannung Ug getrennt und der Kondensator 8 entlädt sich über das steuerbare Halbleiterschaltelement 7 mit umgekehrter Stromrichtung auf den Verbraucher 5. Nach Entladung des Kondensators 8 wird über die Steuereinrichtung 9 (Sperrsignal am Ausgang 11) das Halbleiterschaltelement 7 gesperrt und das Halbleiterschaltelement 6 geöffnet, womit ein Polwechsel stattgefunden hat. Dieser Vorgang wiederholt sich in rascher Folge selbsttätig.
Zur Erzielung einer möglichst günstigen Kurvenform von Strom und Spannung ist die Kapazität des Kondensators 8 und die im Verbraucher 8 vorhandene Induktivität so aufeinander abgestimmt, daß bei einer gewünschten Betriebsfrequenz möglichst sinusförmige Strom- und Spannungsverhältnisse gegeben sind.
Die Kondensatoren am Eingang des Gleichrichters 2 dienen zur Hochfrequenzentstörung.
Wie Fig. 2 zeigt, wird für die Speisung eines induktionsarmen Verbrauchers, z3. eines Verbrauchers mit negativer Strom-Spannungskennlinie (Entladungslampe),in Serie mit dem Kondensator 8a eine Drossel 10a angeordnet, deren Induktivität mit der Kapazität des Kondensators 8a vorzugsweise in der oben angegebenen Weise abgestimmt ist. Dabei kann die Drossel 10 zur Vermeidung von Störfrequenz-Rückwirkungen auf das speisende Netz als Doppeldrossel mit Hochfrequenzkern ausgebildet sein.
Von besonderem Vorteil ist es, die Bauteile 6 bis 8a und 10a sowie die Steuereinrichtung 9 derart zu bemessen, daß die Betriebsfrequenz des Polwechslers größer ist als 2 kHz, insbesondere im Bereich von 8 bis 25 kHz liegt. Dadurch werden bei der Speisung induktionsarmer Verbraucher, wie z.3. von Entladungslampen, die Abmessungen und das Gewicht besonders klein, ferner wird die Lichtausbeute wesentlich erhöht und es wird eine völlige Flimmerfreiheit des Lichtes der Lampe erzielt.
Zum Anschluß an ein Wechselspannungsnetz, dessen Spannung kleiner ist als die Nennspannung des Verbrauchers, z.B. bei Vorliegen einer Wechselspannung vom 115 V, ist es vorteilhaft, dem Polwechsler 4 eine Spannungsverdopplerschaltung mit den Ventilen 13, 14 und den Kondensatoren 15, 16 vorzuschalten. Der Kondensator 15 wird durch die positive Halbwelle aufgeladen, ebenso der Kondensator 16 durch die negative Halbwelle. An den Punkten P und N addieren sich die Ladespannungen der beiden Kondensatoren, die in Serie geschaltet sind, und somit ist die Möglichkeit gegeben, an diesen Punkten gegenüber der Eingangswechselspannung die doppelte Ausgangsgleichspannung abzunehmen. Auf diese Weise kann das Gewicht der Schaltungsanordnung sehr klein gehalten werden. Das erste Halbleiterschaltelement 6 kann wie die'Figur zeigt auch in einem zum Kondensator 8a führenden Leitungspol P angeordnet sein.
Die Steuereinrichtung 9 für den Polwechsler 4 ist in vorteilhafter Weise aus einem parallel zum Verbraucher 5a geschalteten Steuertransformator 9a mit Hochfrequenzkern 9b gebildet, dessen Sekundärwicklungen 9c, 9d mit den Steuerelektroden der Halbleiterschalter 6 und 7 verbunden sind. Weitere Sekundärwicklungen 9e, 9f können zum Speisen von zusätzlichen Hilfseinrichtungen des Verbrauchers 5a dienen.
Die Schaltung läßt sich in einfacher Weise auch für die Speisung eines weiteren Verbrauchers 5b oder mehrerer Verbraucher ausbilden, wobei ein gemeinsamer Polwechsler mit Steuereinrichtung vorgesehen ist, Jedem Verbraucher 5a, 5b Jedoch ein gesonderter Kondensator 8a bzw. 8b und dazu eine gesonderte Drossel 10a bzw. 10b in Reihe zugeordnet sind.
Von besonderem Vorteil ist es, daß gegenüber den üblichen Anordnungen, z.B. dem mit einem Transformator arbeitenden Wechselrichtern, bei Anwendung einer hohen Frequenz, z.B.
von 8 kHz und höher, größere Leistungen bei im wesentlichen kleinerem Gewicht erzielbar sind.
Eine in Fig. 3 gezeigte bevorzugte Ausfhrung ist gekennzeichnet durch ein Gehäuse G1, in dem zwei Halbleiterschaltelemente 6,7 des Polwechslers 4 mit der zugehörigen Steuereinrichtung 9 und gegebenenfalls ein Gleichrichter 2 mit Glättungskondensator 3 sowie eine Drossel 10 auf einer gemeinsamen Leiterplatte 17 angeordnet sind, von der Leitungen 18, 19 zu Anschlußklemmen 20, 21 nach außen führen.
Ein derartiges Gerät kann leicht an einem Gehäuse G2 des Verbrauchers 5 oder innerhalb des Gehäuses G2 angeordnet werden.
3 Figuren 10 Patentansprüche

Claims

PatentansPriiche 5) Schaltungsanordnung zum Speisen eines Verbrauchers mit einer hochfrequenten Wechselspannung, die aus einer Gleichspannung über einen Polwechsler mit Halbleiterschaltelementen und einem Kondensator gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Polwechsler (4) aus zwei steuerbaren Halbleiterschaltelementen (6, 7) besteht, die über eine vom Strom oder der Spannung des Verbrauchers (5) beeinflußte Steuereinrichtung (9) derart gesteuert sind, daß abwechselnd der Verbraucher (5) über den Kondensator (8) an der Gleichspannungsquelle (Ug) liegt und der geladene Kondensator (8) unter Abtrennung von der Gleichspannungsquelle (Ug) und Bildung eines Umschwingkreises auf den Verbraucher geschaltet wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge ennzeichnet, daß das erste Halbleiterschaltelement (6) in Stromführungsrichtung der Gleichspannungsquelle (Ug) in einem zum Kondensator (8) oder dem Verbraucher (5) führenden Leitungspoi angeordnet ist, während das zweite Halbleiterschaltelement (7) ebenfalls in Stromführungsrichtung der Gleichspannungsquelle die aus dieser und dem in einem Leitungspol liegenden ersten Halbleiterschaltelement gebildete Reihenschaltung überbrückt.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Speisung eines induktionsarmen Verbrauchers, insbesondere Verbrauchers mit negativer Stromspannungscharakteristik in Serie mit dem Kondensator (8) eine Drossel (10) geschaltet ist.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (10) als Doppeldrossel ausgebildet ist.
5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile und die Steuereinrichtung (9) derart bemessen sind, daß die Betriebsfrequenz des Polwechslers größer als 2 kHz, insbesondere im Bereich von 8 bis 25 tHs, liegt.
6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichet, daß die Steuereinrichtung (9) für den Polwechsler (4) aus einem parallel zum Verbraucher (5) geschalteten Steuertransformator mit Hochfrequenekern gebildet ist, dessen Sekundärwicklungen mit den Steuerelektroden der Halbleiterschalter (6, 7) verbunden sind.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Speisung zweier oder mehrerer Verbraucher (5a, 5b) ein gemeinsamer Polwechsler (4) mit Steuereinrichtung (9) vorgesehen ist, Jedoch jedem Verbraucher (5a, 5b) ein gesonderter Kondensator (8a bzw. 8b) gegebenenfalls mit einer gesonderten Drossel (10a bzw. 10b) in Reihe zugeordnet ist.
8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Polwechsler (4) eine Spannungsverdopplerschaltung vorgeschaltet ist.
9. Anordnung zum Speisen eines Verbrauchers mit einer hochfrequenten Wechselspannung, die aus einer Gleichspannung über einen Polwechsler mit Halbleiterschaltelementen und einem Kondensator gewonnen wird, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (G1), in dem zwei Halbleiterschaltelemente (6, 7) des BiLwechslers (4) mit der zugehörigen Steuereinrichtung (9) und gegebenenfalls ein Gleichrichter (2) mit Glättungskondensator (3) sowie eine Drossel (10) auf einer gemeinsamen Leiterplatte (17) angeordnet sind, von der Leitungen (18, 19) zu Anschlußklemmen (20, 21) nach außen führen.
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (Gi) an einem Gehäuse (G2) oder innerhalb eines Gehäuses (G2) des Verbrauchers (5) angeordnet ist.

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