DE2261178C3 - Schaltungsanordnung zur Symmetrierung der rechteckförmigen Wechselspannungshalbwellen eines fremdgesteuerten Wechselrichters - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Symmetrierung der rechteckförmigen Wechselspannungshalbwellen am Ausgang eines auf einen Übertrager arbeitenden fremdgesteuerten Wechselrichters mit im Gegentakt arbeitenden steuerbaren elektronischen Schaltern, denen von einem mit konstanter Frequenz arbeitenden Taktgeber mit 180° Phasenverschiebung über UND-Gatter Halbwellenimpulse zugeführt werden, wobei durch eine Einrichtung zur Beeinflussung der Spannung über weitere Eingänge der UND-Gatter eine Beendigung der Steuerimpulse für die elektronischen Schalter vor Halbwellenende bewirkt wird.

Unter Wechselrichten wird bekanntlich das Umrichten von Gleichstrom in Wechselstrom verstanden. Unter Gleichsiromumrichten (Wandler) ist das Umwandein von Gleichstrom einer gegebenen Spannung in Gleichstrom einer anderen Spannung zu verstehen. Bei Wechselrichtern und Umrichtern treten dieselben Probleme auf, wenn ein Wechselstrom-Zwischenkreis vorgesehen ist, was gleichbedeutend mit der Hintereinanderschal tung eines Wechselrichters und eines Gleichrichters ist.

Wechselrichter mit im Gegentakt geschalteten elektronischen Schaltern, z. B. Transistoren, arbeiten mit einem Übertrager, an den eine rechteckförmige Wechselspannung angelegt wird. Die Schalttransistoren müssen so gesteuert werden, daß die an den Übertrager gelegten positiven und negativen Spannungshalbwellen möglichst gleich sind. Durch fehlende oder unzureichende Symmetrierung bedingte Spannungshalbwellen mit ungleichem Mittelwert ergeben ungleiche Magnetisierungsstromhalbwellen und treiben den Ubertragerkern einseitig bis in den Sättigungsbereich. Zur Vermeidung dieser unerwünschten Sättigungserscheinungen kann die Betriebsinduktivität des Übertragers niedrig ausgelegt und der magnetische Kreis gegebenenfalls mit einem Luftspalt versehen werden. Der Nachteil der genannten Maßnahmen besteht darin, daß die Übertrager größer bemessen sein müssen als sie für vollkommen gleiche Halbwellen ausreichen würden.

Zur Erzielung einer Symmetrie der Spannungshalbwellen ist auch bereits ein Wechselrichter in Halbbrükkenschaltung bekannt, bei dem die einer besonderen Wicklung entnommene Übertragerspannung dazu benutzt wird, über Dioden die an der Betriebsspannung liegenden Spannungsteilerkondensatoren, von deren Ladungszustand die Symmetrie der Spannungshalbwellen abhängt, möglichst gleich aufzuladen (Electronics, 15. Sept. 1961, Seiten 62 bis 65).

Bei geregelten Umrichtern wird durch Veränderung der Stromflußzeiten im Übertrager für eine von Eingangsspannungsschwankungen und von Laständerungen unabhängig konstante Ausgangsspannung gesorgt. Geregelte Umrichter, die mit !mpulsbreitensteuerung irbeiten, neigen bei verschiedenen Betriebsbedingungen (z. B. rhythmische Laständerung) zusätzlich zur Unsymmetrie und den damit verbundenen Sättigungserscheinungen im Übertrager.

Es ist bereits eine zusätzliche Flußausgleichsregelung am Ausgang eines Wechselrichters bekannt, die dafür sorgen soll, daß kein Gleichstromanteil in der Ausgangswechselspannung erscheint, der an den nachgeschalteten Wechselrichterübertragern zu Sättigungserscheinungen führen würde. Hierzu werden die Spannungszeitflächen jeder Halbwelle miteinander verglichen und anhand der Zündzeitpunkte an den Wechselrichterventilen auf Gleichheit geregelt (BBC-Nachrichten, 1964, Seiten 629 bis 632).

Eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art ist aus der amerikanischen Patentschrift 36 57 631 als Wechselrichterteil eines Gleichspannungsumrichters bekannt. Dort werden die Ströme der beiden Halbwellen miteinander verglichen, und die Differenz wird zum Ausgleich der Pulsbreiten verwendet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art mit einfachen Mitteln schon steuerungstechnisch von vornherein Unsymmetrien, die durch die Spannungssteuerung (z. B. im Rahmen einer Regelung) hereinkommen könnten, zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Einirichtung zur Beeinflussung der Spannung nur auf Eingänge eines der beiden UND-Gatter einwirkt und daß am Ausgang dieses ersten UND-Gatters eine auf das Impulsende ansprechende monostabile Kippstufe angeschlossen ist, die einen Halbwellenimpuls von 180° Länge erzeugt, der auf den zweiten Eingang des zweiten UND-Gatters einwirkt.

Mit der Schaltungsanordnung nach der Erfindung wird erreicht, daß auf eine z. B. positive Durchflutung des Übertragers immer eine gleichlange negative Durchflutung des Übertragers erfolgt und Sättigungserscheinungen vermieden werden, ohne daß gewisse Schwierigkeiten der bekannten Schaltungsanordnungen in Kauf genommen werden müßten. Bei diesen bekannten Ausführungen ergeben sich z. B. aufgrund

von Spitzenwertgleichrichtung der zu symmeirierenden Ströme große Zeilkonstanten, die die Symmetrierschaltung bei schnellen rhytmisehen Lastanderungen unwirksam werden lassen. Außerdem erlauben die bekannten Schaltungen keine schnell eingreifenden Strombegrenzungen, da in jeder beliebigen Halhwelle eingegriffen werden kann und dadurch Unsymmetrien auftreten können. Demgegenüber erfolgt bei der Erfindung ein Eingriff nur in jeder zweiten Halbwolle u"d die dazwischenliegende Halbwelle wird durch Impulsüber- ₎₀ tragung benimmt. Unabhängig davon, welche Einflüsse Ursache der Unsymmetrie sind, wird bei der Erfindung das Tastverhältnis der elektronischen Schalter in jedem Betriebszustand so nachgestellt, daß die Symmetrie der Spannungshalbwellen erhalten bleibt.

Bei Anwendung der Erfindung ist e^ zum Ausgleich von Restunsymmetrien, die durch Bauteiletoleranzen u;.d Alterung bedingt sind, möglich, daß eine zusätzliche, an sich bekannte Symmetrierschaltung an der monostabiien Kippstufe eingereift, bzw., daß ein Übertrager mit Luftspalt Anwendung findet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Figuren erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Prinzipschaltung,

F i g. 2 die dazu gehörigen Impulsdiagramme,

F i g. 3 eine prinzipielle Taktgeberschaltung für die Schaltungsanordnung nach der Erfindung,

Fig.4 eine Taktgeberschaltung mit stufenloser Einstellung der maximalen Impulsbreite und

F i g. 5 eine Taktgeberschaltung mit in Stufen einstellbarer maximaler Impulsbreite.

In den Figuren sind Gatter Gl, G2 und eine monostabile Kippstufe M vorgesehen. Die Eingänge des Gatters G 1 sind mit A, C und Eund der eine Eingang des Gatters G 2 mit B bezeichnet. Der Ausgang der monostabilen Kippstufe D entspricht gleichzeitig dem zweiten Eingang des zweiten Gatters. Die Ausgänge der Gatter tragen die Bezeichnungen P1, P 2.

T = Periodendauer, 772 Halbwellendauer, t_p\ die Pulsdauer am Ausgang PX des Gatters Gi und t_P2 die Pulsdauer am Ausgang P2 des Gatters G2.

In den Fig.3 bis 5 ist jeweils mit K ein selbstschwingender Taktgeber, z. B. eine astabile Kippstufe, bezeichnet. Bistabile Kippstufen führen das Bezugszeichen BK. Außerdem findet sich in diesen Taktgeberschaltungen auch eine monostabile Kippstufe 5. Als Summierschaltung sind in der F i g. 4 ferner Gatter Wl, W2 vorgesehen.

In der Taktgeberschaltung nach F i g. 5 arbeitet als Taktgeber W mit einer bestimmten Frequenz ein vorzugsweise mit einem Widerstand und mit einem Kondensator rückgekoppelter Schmitt-Trigger. Die von diesem Taktgeber kommenden Impulse steuern einen Zähler Z mit einem nachgeschalteten Dekoder Y an. Unter Zähler ist eine aus bistabilen Kippstufen aufgebaute Schaltung zu verstehen, wobei sich die Zahl der bistabilen Kippstufen aus der gewünschten Frequenzteilung ergibt. Durch diese Schaltung wird die angestrebte Frequenzteilung durchgeführt. Untei einem Dekoder soll eine Schaltung verstanden werden, die das vom Zähler abgegebene binäre Signal in ein dezimales Signal umsetzt.

Die von einem mit einer konstanten Frequenz arbeitenden Taktgeber (F i g. 3 bis 5) gelieferten L, 3., 5. usw. Halbwellen kommen auf den Eingang A des Gauers 1 (Fig. 1), das an seinem Ausgang Pl nur so lange einen Impuls abgibt, bis an seinen Eingängen CVF das Signa! für Pulsende angelegt wird oder am Eingang A Halbwellenende gemeldet wird. Bei einem geregelten Umrichter kann z. B. an Cdas von der Soll-lstwert-differenz abgeleitete Signal für die Spannungsregelung und an E das von einer Ausgangsstrommeßeinrichtung gelieferte digitale Signal angelegt werden. Dadurch wird die am Ausgang des Gatters angeschlossene Verzögerungsschaltung in Form einer monostabilen Kippstufe M ausgelöst, über deren Ausgang D das Signal auf den einen Eingang des zweiten Gatters G2 gelangt. Der zweite Eingang B des zweiten Gatters G2 wird direkt von der zweiten Halbwelle des Taktgebers (F i g. 3 bis 5) angesteuert.

Wird nun die Ausgangsimpulsdauer der monostabil Kippstufe M genau auf eine Halbwellendauer eingestellt, so entspricht die vom Gatter G2 an Ausgang P2 abgegebene Impulsdauer t_P2 immer der vom Gatter Gl am Ausgang P\ abgegebenen Impulsdauer t_P\. In der F i g. 2 sind diese Impulse schraffiert hervorgehoben.

Aus dem Diagramm in der Fig. 2 ist auch zu erkennen, daß die negative Flanke des Impulses von dem Eingang C/Edas Ausgangssignal t_p\ des Gatters Gl begrenzt und daß die negative Flanke des Ausgangssignals Oder monostabilen Kippstufe die Impulsdauer f_p; für den Ausgang P2 des Gatters G2 bestimmt. Aus dieser graphischen Darstellung ist auch die vollkommene Symmetrierung der rechteckförmigen Wechselspannungshalbwellen mit den Pulsdauern t_n\ und i_Pi zu ersehen.

Nach der Darstellung in der F i g. 3 führt der Ausgang des selbstschwingenden Taktgebers K, z. B. einer astabilen Kippstufe, auf den Eingang einer bistabilen Kippstufe BK. Durch die negative Flanke des von dem Taktgeber abgegebenen Impulses wird die bistabile Kippstufe angesteuert, deren Ausgangsimpulse auf die Eingänge A bzw. B der Gatter Cl, G2 geführt sind. Dieser Taktgeber K liefert zwei gleich lange, um 180° versetzte Impulse.

Nach der Darstellung in der Fig.4 wird durch die negative Flanke des Ausgangsimpulses des Taktgebers K die bistabile Kippstufe BK angesteuert und die monostabile Kippstufe 5 ausgelöst. Durch die Zusammenfassung der entsprechenden Ausgänge der bistabilen Kippstufe und der monostabilen Kippstufe in den Gattern Wl und W2 werden innerhalb einer Periodendauer zwei gleich lange, um 180° versetzte Impulse an den Ausgängen dieser Gatter gewonnen und auf die Eingänge A bzw. B geführt.

Die Signale des Taktgebers W (Fig.5) werden im Zähler Z binär gezählt, d. h., daß die erste bistabile Kippstufe die Frequenz durch 2 teilt, die nächste durch 4 usw. wobei jeweils nach dem 10. Zählimpuls der Zähler auf 0 gestellt wird. Die negativen Flanken des Taktgebersignals werden zu einem Schlagvorgang ausgewertet. Nach der Darstellung in der Fig.5 sind z.B. jeweils vier Ausgänge des Dekoders Y so zusammengefaßt, daß zwei gleich lange um i»u versetzte Impulse mit einer Lücke entstehen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Symmetrierung der rechteckförmigen Wechselspannungshalbwellen 2m Ausgang eines auf einen Übertrager art ^riden fremdgesteuerten Wechselrichters mit i:> -gentakt arbeitenden steuerbaren elektronische: Schaltern, denen von einem mit konstanter Frequenz arbeitenden Taktgeber mit 180° Phasenverschiebung über UND-Gatter Halbwellenimpulse zugeführt werden, wobei durch eine Einrichtung zur Beeinflussung der Spannung über weitere Eingänge der UND-Gatter eine Beendigung der Steuerimpulse für die elektronischen Schalter vor Halbwellenende bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Beeinflussung der Spannung nur auf Eingänge (C, E) eines der beiden UND-Gatter einwirkt und daß am Ausgang dieses ersten UND-Gatters (Gi) eine auf das Impulsende ansprechende monostabile Kippstufe (M) angeschlossen ist, die einen Halbwellenimpuls von 180° Länge erzeugt, der auf den zweiten Eingang des zweiten UND-Gatters (G2) einwirkt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgleich von Unsymmetrien, die durch Bauteiletoleranzen und Alterung bedingt sind, eine zusätzliche Symmetrierschaltung an der monostabilen Kippstufe (M) vorgesehen ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgleich von Unsymmetrien, die durch Bauteiletoleranzen und Alterung bedingt sind, ein Übertrager mit Luftspalt zur Vermeidung von Sättigungserscheinungen vorgesehen ist.