DE2256350A1 - Gleichstromumformer - Google Patents

Description

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Patentanwalt 8035 Gauting HubertU88tr.83Vk

17. November 1972 Meine Akte: f 45-j.DT

FLAKO AG. Flawil (Schweiz)

Gleichstromumformer

Die Erfindung betrifft einen Gleichstromumformer mit einer Anzahl von typisierten, mit Halbleiterschaltelementen bestückten Wechsel- ' richtern. ,

Bei einer bekannten Anordnung zur Erzeugung einer Taktfrequenz ■ittels einer Anzahl typisierter Wechselrichter erfolgt die Ansteuerung der einzelnen Bausteine durch wechselseitige Rückkopplung der Uebertragerausgänge auf die Steuerelektroden der Halbleiter-BChaltelemente. Obwohl durch diese Anordnung die wahlweise parallele Zusammenschaltung von Wechselrichtern zur speziellen Anpassung an den Leietungsbedarf von Wechselatromverbrauchern gezeigt wird, hat diese Hassnahae bei Gleichstromumformern noch keine Verwendung gefunden.

Dies resultiert in erster Linie daraus, dass die hinsichtlich de3 Leistungsbedarfs an Gleichstromumformer gestellten Anforderungen ■1t den Verhältnissen bei der vorstehend beschriebenen WechselrLeiteranordnung nicht vergleichbar sind. Darüber hinaus ist bei

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der bekannten Anordnung Regelung der Ausgangsleistung konstruktionsbedingt nicht möglich und somit die Λην/endungsmöglichkei t für Gleichstromumformer von Haus aus weitgehend a\isgeschlossen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Bekannten zu vermeiden, insbesondere also einen Glsichatromumformer zu schaffen, der sich aus typisierten Bausteinen zusammensetzt und dabei sowohl an verschieden hohe Eingangsspannungen anpassbar, als auch durch entsprechende Parallel- oder Gruppenschaltung für verschiedene Ausgangsleistungen auslegbar ist. Gleichzeitig soll dabei Regelung der Ausgangsleistung ermöglicht werden.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe in erster Linie durch die Kombination folgender Merkmale gelöst:

Im Primär- und/oder Sekundärkreis jedes Wechselrichter-Uebertragers ist eine schwingfähige LC-Anordnung vorgesehen;

II¹

Die Steuerelektroden der Halbleiterschaltolemente der einzelnen Wechselrichter sind parallel an den Ausgang eines gemeinsamen, Rechteckimpulse abgebenden Taktgebers angeschlossen.

Die Frequenz des Taktgebers ist in einem unterhalb der Eigenfrequenz der LC-Anordnung liegenden Bereich verstellbar.

Besonders vorteilhaft eignet sich der orfIndungogemässe Gleich- stromuraformer zur Umformung von hochgespanntem Gleichstrom in Gleichstrom niederer Spannung, z.B. zur Ladung einer Batterie, wonn die Wechselrichter e iugan^fitioit ig in liulhe geschaltet a ImI.

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BAD ORIGINAL

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V.

Obwohl bei derartigen Schaltungen selbstverständlich, sowohl Thyristoren als auch Transistoren als Schaltelemente vorgesehen werden können, lässt sich die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besonders einfach lösen, wenn Transistoren als Schaltelemente vorgesehen sind» '

Dies resultiert in erster Linie daraus, dass dabei einerseits wesentlich höhere Betriebsfrequenzen erreicht v;erden können als bei Thyristoren und andererseits das erforderlich?synchrone Schalten der einzelnen Wechselrichter mit Transistor-Schaltelementen wesentlich leichter gewährleistet werden kann, als mit Thyristoren.

Erfindungsgemäss wird deshalb vorgeschlagen, auch bei grösseren Leistungen auf die Verwendung von Thyristoren zu verzichten und statt dessen eine grössere Anzahl von leistungsschwacheren, mit Transistoren bestückten Wechselrichtern vorzusehen.

Vorteilhaft lässt sich dabei insbesondere eine Verkleinerung der Uebertrager erreichen, wenn die Frequenz der LC-Anordnung im Uebertragerkreis sowie die Taktgeber frequenz über 1,0 klls liegen. Vorteilhaft kann auch eine weitere Steigerung der Betriebsfrequenz auf 20 kHz sein, da dann die Umformerfrequenz über der Hörschwelle liegt.

Die Regelung der AuGgangsspannung des Umformers lässt sich beim Erfindungsgegenstand besonders einfach durchführen, da dazu lediglich die Frequenz des Taktgebers, welcher- cäie Durchschall Tiei t

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der Schaltelemente bestimmt, verändert werden mus;>:

Ersichtlicherwefse ist der Mittelwert der abgegebenen Spannung nm höchsten, wenn die Taktfrequenz mit der Frequenz des LC-Glieös übereinstimmt; bei einer Reduzierung der Taktfrequenz, d.h. einer Verlängerung der Durchr.chaltzei t der Schaltelemente, wird jeweils nur die erste Schwingung der LC-Anordnung voll übertragen. Infolge der Dämpfung durch die Laet klingt die Schwingung nach der ersten Halbwelle au«, so dass für die restliche Zeit der Schaltperiode die Uebortragung aussetzt.

Kurzschlussiestigkeit der Anordnung lässt sich besonders einfach dann erreichen, wenn die LC-Anordnung die Primär- oder Sekundärseite des Uebertragers als Induktivität roiteinbezieht und die Kapazität primär- bzw. sekundärseitig in Reihe mit der zugeordneten Ucbertragerwicklung geschaltet ist.

Die Erfindung ist im folgenden in einem Ausführungsboispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Umformers mit den Merkmalen der Erfindung,

Fig. 2 und 3 den Spannungsverlauf am Uebertrager der Schaltung gemäss Fig. 1

Gemäcs Fig. !liegt hohe Speisegleichspannung 1 zum Ausgleich von Spannungsspitzen oder kurzzeitigen Spanmingseinbrüchen über

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Drossel 2 am Kondensator 3.

Drei Wechselrichter 4, 5 und 6 weisen hoehohmige Widerstände 7, 8 und 9 sowie Kondensatoren 10, U und 12 auf, welche symmetrische Aufteilung der Eingangsspannung gewährleisten. Mit Hilfe von Taktgeber 3.3, v/elcher z.B. über einen Spannungsteiler und Spannungsregler lk aus dem Hochspannungsnetz gespeist wird_t werden galvanisch getrennte Steuerspannungsn an Schalttranaistoren 15 bis 20 geführt. Kondensatoren 21, 22 und 23 dienen jeweils zur Strombegrenzung.

Erzeugung einer nahezu sinusförmigen Spannung wird, durch die Serienschaltung der Induktivität der Primärwicklungen 24a, 25a,, 26a der drei als Streufeldtransformator ausgebildeten Ferrit-Transformatoren 2'f, 25 und 26 sowie der Kondensatoren 21, 22 und 23 erreicht.

Die Sekundärwicklungen der Transformatoren ■ 2.h bis 26 sind parallel.geschaltet, wodurch eine zwangsläufige Symmetrierung der Speisespannung auf der Eingangsseite der einzelnen Wechselrichter k bis 6 gewährleistet wird» Die übertragene Wechselspannung wird über Gleichrichter 27 einer Batterie 28 zugeführt, durch welche Verbraucher-29 versorgt wird*

Fühler 30 überwacht dabei den Ladezustand der Batterie 28 und gibt entsprechende Stellsignale an Eingang 13a von Taktgeber 13 ab, so dass je nach Ladezustand die Taktgeberfrequenz von der Eigenfrequenz der LC-Anordnungen-2l,2'r&; 22,25a; 23,26a; bei maximalem Leistungsbedarf auf einem geringeren Wert reduziert wird.

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Da exakte Spannungsaufteilunf .!er Speisespannung im Ruhezustand durch die Widerstände 7» S und 9 sowie im Betrieb durch die Kondensatoren 10, 11 und 12 einerseits und infolge der Parallelschaltung der sekundären Wicklungen andererseits gegeben ist, wird einwandfreie Funktionsweise auch bei Parallelschaltung mehrerer Wechselrichter garantiert.

Durch eine entsprechende Anzahl rolcher Wechselrichter-Einheiten, welche z.B. in Gruppen geschaltet sind, kann jede Spannungs- oder Lastgrösse betriebsicher bewältigt werden, Die zusammensetzbaren Einheiten wird man zweckma'ssigerweise als Bausteine ausführen, wobei die Betriebsfrequenz z.B. 20 kHz sein kann,

Fig. 2 zeigt den Spannungsverlauf an 'den Uebertragern 2k bis 26 in Abhängigkeit von der Zeit. Im Zeitraum t]_ bis t2 wird durch Anlegen eines Schaltimpulses von Taktgeber 13 an die Steuerelektroden der Transistoren 16, l8 und 20 Einschwingen der LC-Glieder 21, 2*ta bzw. 22,25a und 23,26a eingeleitet. Der Spannungsverlauf an den Sekundärwicklungen ist dabei etwa sinusförmig und geht mit zunehmender Aufladung der Kondensatoren 21 bis 23 zum Zeitpunkt t2 auf Null zurück.

Zum Zeitpunkt t2 werden die Transistoren 16, l8 und 20 gesperre und die Transistoren 15, 17 und 19 durch Taktgeber 13 durchgeschaltet. Im Zeitraum t£ his t^ findet Entladung der Kondensatoren 21, 21, über die Primärwicklungen 2'+a, 25a, 26a statt, was gleichfalls sinusförmigen Spannuncrsverlauf gewährleistet.

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Zum Zeitpunkt t-z beginnt mit dem neuerlichen Durchschalten der Transistoren 16, 18 und 20 der nächste Zyklus.

Fig· 3 zeigt den Spannungsverlauf au den Uebertragern 2h, 25 und bei verringerter Taktfrequenz. Wie bei der Darstellung gem. Fig. 2 wir-d dabei »um Zeitpunkt t^ durch Aktivieren der Transistoren l6, und 20 Aufladung der Kondensatoren 21, 22 und 23 eingeleitet, nach deren Abschluss jedoch die Spannung auf Null zurückgeht, "

Ein Weiterschwingen der LC-Glieder 21, 2*fai 22,2]?a und 23,26a wird durch die Dämpfung durch Last 29 verhindert. Da somit im Zeitraum tp bis t-, keine Uebertragung erfolgt, ist der Mittelwert U im Fall der Darstellung gem« Fig» 3 wesentlich geringer als beim Verlauf gem. Fig. 2, welcher gleiche Frequenz von Taktgeber und LC-Glied voraussetzt.

'Ersichtlichervieise- wird also erfindungsgemäss durch Veränderung der Taktfrequenz des Taktgebers 13 praktisch verlustfreie Eegelung.der Ausgangsleistung gewährleistet.

Patentansprüche

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Claims (7)

1. Patentansprüche

   1 J Gleichstromumformer mit einer Anzahl von typisierten, mit Halbleiterschaltelementen bestückten Wechselrichtern, deren Übertrager ausgangsseitig parallel an einen Gleichrichter geschaltet sind, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

   a) Im Primär- und/oder Sekundärkreis jedes Übertragers (24, 25, 26) ist eine schwingfähige LC~Anordnung (21, 24a; 22, 25a; 23, 26a) vorgesehen;

   b) die Steuerelektroden der Halbleiterschaltelemente (15 bis 20) der einzelnen Wechselrichter (4, 5, 6) sind parallel an den Ausgang eines gemeinsamen, Rechteckimpulse abgebenden Taktgebers (13) angeschlossen;

   c) die Frequenz des Taktgebers ist in einem unterhalb der Eigenfrequenz der LC-Anordnung liegenden Bereich verstellbar.
2. 2. Verwendung des Gleichstromumformers nach Anspruch 1 zur Abgabe einer geregelten Ausgangsspannung, vobei die Taktgeberfrequenz durch Ansteuerung durch die Stellgröße in einem unterhalb der Resonanzfrequenz der LC-Anordnung liegenden Bereich geregelt wird.
3. 3. Gleichstromumformer nach Anspruch 1 für hohe Eingangsspannungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselrichter (4, 5, 6) eingangsseitig in Reihe geschaltet sind.

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4. 4. Gleichstromumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die LC-Anordnung (21, 24a? 22» 25aJ 23, 26a) derart dimensioniert ist, daß ihre Resonanzfrequenz mindestens

   1,0 kHz beträgt,
5. 5. Gleichstromumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die LC-Anordnung (21, 24a? 22, 25aj 23, 26a) derart dimensioniert ist, daß ihre Resonanzfrequenz mindestens

   18 kHz beträgt*
6. 6. Gleichstromumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der übertrager (24, 25 bzw* 26) als Streutransformator ausgebildet ist, dessen Primär- oder Sekundärwicklung
   gleichzeitig als induktivität der LC-Anordnung vorgesehen
   ist.
7. 7. Gleichstromumformer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet» daß der Kondensator (21, 22 bzv. 23) der LC-Anordnung
   in Serie zur zugeordneten übertragervicklung (24a, 25a bzv. 26a) geschaltet ist«

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