DE2319987A1

DE2319987A1 - Wechselrichter

Info

Publication number: DE2319987A1
Application number: DE2319987A
Authority: DE
Inventors: Homme Edmond Cord
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1972-04-21
Filing date: 1973-04-19
Publication date: 1973-10-25
Also published as: IT984320B; FR2180584A1; US3835366A; SE386329B; JPS4921624A; BE798320A; FR2180584B1; ES413777A1; BR7302880D0

Description

Wechselrichter

Die Erfindung betrifft Wechselrichter, d.h. statische Gleichstrom/Wechselstrom-Wandler, die einen Strom hoher Frequenz liefern. Im einzelnen betrifft die Erfindung Wechselrichter, bei denen die Ausgangssinuswelle mittels eines Schwingkreises erhalten wird, der durch den Stromdurchgang in Gleichrichterelementen mit gesteuerter . · Leitung wie Thyratrons oder Thyristoren periodisch erregt wird.

Insbesondere betrifft die Erfindung Wechselrichter, die wenigstens zwei Gleichrichterelemente aufweisen, die elektronische Ventile für die abwechselnde Leitung des Stroms bilden, der von einer Gleichstromquelle geliefert wird, um einen Schwingkreis zu erregen und eine Ladeimpedanz mit dem so erzeugten Wechselstrom zu speisen. Der Betrieb des Wechselrichters wird von Steuerimpulsen geeigneter Polarität und gewählter Folgefrequenz ausgelöst, die von einem Generator erzeugt und abwechselnd

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auf die Steuerelektrode eines der Gleichrichterelemente gegeben werden.

Ein wesentlicher Nachteil der bekannten Wechselrichtervorrichtungen und insbesondere der Vorrichtungen, die ein einziges Paar Gleichrichterelemente mit gesteuerter Leitung verwenden, besteht darin, daß die durch die Sinuswelle erzeugte Frequenz einen oberen Grenzwert nicht überschreiten kann, über dem die richtige Funktion unmöglich wird. Diese Frequenzbegrenzung hängt zugleich von der Art der gewählten Schaltung ab, die die Größe, T-der Sperrzeit der Gleichrichterelemente in der Vorrichtung bestimmt, und von der Charakteristik T₂ der Erholzeit, d.h. der Entregung der Gleichrichterelemente, die im angelsächsischen Sprachgebrauch auch als "turn-off" ("Abschaltung") bekannt ist. Diese Charakteristik entspricht z.B. der Entionisierungsdauer im Falle eines Thyratrons. Je höher die Frequenz der erzeugten Sinuswelle ist, desto kleiner ist der Wert T₁ der Sperrzeit.

Die korrekte Arbeitsweise des Wechselrichters wird unmöglich, sobald dieser Wert T kleiner als der Wert T₂ der Abschaltung der Gleichrichterelemente wird.

um diesen Nachteil zu beseitigen, wurde bereits vorgeschlagen, die Anzahl der Paare Gleichrichterelemente zu erhöhen und die Auslösung der Elemente eines jeden Paars derart aufeinanderfolgend zu steuern, daß ein einziges Element auf einmal leitet und das zweite Element eines Paars erst ausgelöst wird, nachdem alle ersten Elemente eines jeden Paars, jedes seiner Reihenfolge nach, leitend waren. Die Sperrzeit der Gleichrichterelemente in dem Wechselrichter wird somit gleich (m-1) ■_- + T , wenn man mit m die Anzahl der Paare Gleichrichterelemente und mit T die Periode des erzeugten Wechselsignals be-

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zeichnet. Wenn die Frequenz des Signals zunimmt, nimmt T und ebenso T₁ ab, so daß für die Erfüllung der Ungleichung (ra-1) w- + T-j >Tp ^es genügt, m ausreichend groß zu wählen. · ^y

Die Erhöhung der Zahl m der Paare verwendeter Gleichrichterelemente führt zu einer Erhöhung der,Kompliziertheit und der Kosten des Wechselrichters, die vor allem feststellbar ist, wenn die zu erzeugende Frequenz hoch ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die erwähnten Nachteile durch Schaffung eines Wechselrichters zu beseitigen, bei dem mehrere Parameter derart gewählt werden, daß es möglich ist, die maximale Frequenz des erzeugten Signals ohne Beeinträchtigung der korrekten Arbeitsweise des Wechselrichters bei dieser. Frequenz zu erhöhen.

Kach der Erfindung ist ein Wechselrichter zur Erzeugung eines Wechselstroms hoher Frequenz, bestehend aus m Paaren von Gleichricliterelementen mit gesteuerter Leitung, wobei m eine ganze Zahl wenigstens gleich Eins ist, der Leitungsbzw. Sperrzustand der in Reihe geschalteten Gleichrichterelemente periodisch von einem AuslöseSignalgenerator derart gesteuert wird, daß jedes der Reihe nach einen ITmwandlungsschwingkreis erregt, der einen Lastkreis mit Wechselstrom speist, und die Trennperiode T zwischen zwei aufeinanderfolgenden Auslösungen des gleichen Gleichrichterelements gleich einem ganzen Vielfachen pT der Periode T des erzeugten Wechselsignals ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl ρ großer als die Zahl m von Paaren von Gleichrichterelementen (1,2) gewählt ist, so daß die Zeitintervalle T, die die Auslösung eines Gleichrichterelements von derjenigen des folgenden Gleichrichterelements trennt» stets größer als die Halbperiode £ ist, und daß die Dauer T^ des Eeitungszustandes für alle Gleichrichterele-

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mente des Wechselrichters gleich und stets kleiner als die oder gleich der Harbperiode ^ ist, so daß die Sperrdauer T- der Gleichrichterelemente im Wechselrichter um ρ w - T, und damit entsprechend die Betriebsfrequenz des Wechselrichters erhöht werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 bis 4 beispielsweise erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild eines üblichen Wechselrichters mit den Verbesserungen gemäß der Erfindung,

Fig. 2 zeigt Diagramme, aus denen die Ströme und die Spannung an verschiedenen Stellen des Wechselrichters hervorgehen,

Fig. 3 ein Schaltbild eines Wechselrichters gemäß der Erfindung für eine abgewandelte. Arbeitsweise, und

Fig. 4 Diagramme zur Erläuterung dieser abgewandelten Arbeitsweise.

Fig. 1 zeigt das Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines Wechselrichters, der ein einziges Paar Gleichrichterelemente mit gesteuerter Leitung in üblicher Reihenschaltung aufweist und der gemäß der Erfindung verbessert ist. Diese Vorrichtung besteht aus einer Quelle einer Gleichspannung E mit einem Anschluß, der an Masse liegt, einer lastimpedanz 5 und dem eigentlichen Wechselrichter, der parallel zu der Quelle 7 geschaltet ist und die Last 5 mit Wechselstrom speist.. Der Wechselrichter hat zwei Gleichrichterelemente 1 und 2, deren Leitung von einem Auslösesignalgener'ator 8 gestexiert wird. Diese beiden Elemente 1 und 2 sind durch zwei Induktivitäten 3 gleicher Größe L in Reihe geschaltet, die verwendet

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sind, um die Abstimmung eines UmwandlungsSchwingkreises zn verwirklichen, und die zwischen die Kathode des ersten Gleichrichters 1 und die Anode des zweiten Gleichrichters 2 geschaltet sind. Die Primärwicklung 41 eines Ausgangsübertragers 4 ist zwischen diese beiden Abstimmungsinduktivitäten 3 geschaltet und hat einen Mittelabgriff, der mit einem Abstimmungskondensator 6 der Kapazität C verbunden ist, der an Masse liegt. Diese Kapazität C bildet zusammen mit den Induktivitäten L einen Resonanzkreis, der den Umwandlungsschwingkreis des Wechselrichters darstellt. Die Lastimpedanz 5 des Wechselrichters ist parallel zu der Sekundärwicklung des Ausgangsübertragers 4 geschaltet.

Die Gleichspannungsquelle 7 ist zwischen die Anode des Gleichrichters 1 und die Kathode des Gleichrichters 2 geschaltet. Die Gleichrichter werden mittels Spannungs- ■ bzw. Stromimpulsen abwechselnd leitend gemacht oder gesperrt, die von dem Steuergenerator 8 geliefert und periodisch auf die jeweiligen Steuerelektroden der Gleichrichter 1 und 2 gegeben werden. Die Dauer der Leitung eines jeden Gleichrichters 1 und 2 wird durch die Zeitkonstante des Schwingkreises bestimmt, die sich durch die Wahl der Größen L und C der Induktivitäten 3 und des Kondensators 6 ergeben. Gemäß der Erfindung werden diese Größen L und C derart gewählt, daß die Leitungsdauer eines jeden Gleichrichters gleich der

T
Halbperiode -^ des erzeugten Wechselsignals ist, d.h.

daß die Größen die Beziehung LC (- = 1 erfüllen.

Bei üblichen Wechselrichtern mit einem Paar Gleichrichterelemente ist die Trennperiode T zwischen zwei aufeinanderfolgenden Auslösungen des gleichen Gleichrichters 1 oder 2 stets gleich der Periode T des erzeugten Wechselsignals. Gemäß der Erfindung wird diese Trennperiode T gleich einem ganzen Vielfachen der Periode T,

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- δ

d.h. T = pT für ρ \ l. ..-..■

o- ^

Fig. 2 zeigt Zeitdiagramme zur Erleichterung der Beschreibung der Arbeitsweise des Wechselrichters. Sie zeigt die Zeitdiagramme der Ströme I in den Gleichrichtern 1 und 2 und des Grundstroms I₄, der in der Primärwicklung 41 des Übertragers -4 fließt, ebenso wie der Spannung V an den Anschlüssen des Gleichrichterelements 1. Diese Diagramme beziehen sich auf eine Vorrichtung, die der der .Fig. 1 gleich ist und für die die Periode T der Auslösung der Gleichrichter 1 und 2 gleich dem doppelten Vielfachen der Periode T des erzeugten Wechselsignäls, d.h. T = 2 T und die Dauer T₃ der Leitung gleich ^ gewählt ist.

Das Diagramm des Stroms I in den Gleichrichtern 1 und 2 setzt sich daher aus den Halbbögen der gedämpften Sinus-

T
kurve mit der Dauer ·=■ zusammen, die durch eine Dauer gleich -x voneinander getrennt sind. Die einem einzigen Gleichrichter entsprechenden aufeinanderfolgenden Bögen sind durch eine Dauer 2T getrennt.

Das Diagramm V. der Spannung an den Anschlüssen· des Gleichrichters 1 zeigt, daß dieses Element 1, nachdem''

es während der Dauer -x = T^ im leitenden Zustand geblieben ist, die Dauer T₄ = ·| + Τ_χ zur Verfügung hat,um in den Sperrzustand zu gelangen. Diese Dauer wird als die Sperrzeit bezeichnet. Es ist bekannt, daß diese Sperrdauer T₄ umso kleiner wird, je höher die Frequenz F des erzeugten Stroms ist. Um eine korrekte Arbeitsweise, eines derartigen Wechselrichters zu erreichen, muß daher die Sperrdauer T₄ immer größer als ein . Wert T₃ der charakteristischen Entregungszeit der Elemente 1 und 2 bleiben. Dieser Wert T₃ ist unter der Bezeichnung "turnoff" ("Abschaltung") bekannt und legt so eine obere Frequenzgrenze für diese Wechselrichter fest.

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Die Diagramme der Pig. 2 zeigen, daß die Verbesserungen durch die Erfindung es ermöglichen, diese Frequenzgrenze zurückzuschieben. Bei dem gewählten Beispiel ist die

rp

Sperrdauer T₄ stets größer als -x. Daher kann ein Gleichrichterelement, dessen "Abschaltung" T~ ist, in einem solchen Wechselrichter mit einer Umwandlungsfrequenz

F = 1 umgeschaltet werden. Z.B. kann bei einer be-2T₂

kannten Schaltung unter Verwendung von Gleichrichtern, deren Größe T der "Abschaltung" gleich 25 Mikrosekunden ist, die maximale ümwandlungsfrequenz F kaum 8 KHz überschreiten, während eine gemäß der Erfindung verbesserte Schaltung mit den gleichen Gleichrichtern Frequenzen von etwa 20 KHz erreichen.

Jedoch ist es bei dem Wechselrichter gemäß der Erfindung notwendig, damit die Ausgangsspannung möglichst sinusförmig ist, den von den Gleichrichterelementen abgegebenen Strom zu filtern. Gemäß der Erfindung wird diese Filterung dadurch erreicht, daß man den Ausgangsübertrager 4 auf die Umwandlungsfrequenz F mittels eines Kondensators 9 abstimmt, der z.B. parallel zu der Primärwicklung 41 geschaltet ist. Der.Gütefaktor des Übertragers bei Belastung bestimmt die Qualität der erreichten Filterung und wird z.B.· zu etwa 4 gewählt. Die Tatsache der Abstimmung dieses Übertragers 4 ermöglicht es, seinen Sättigungspegel zu senken und seine Herstellung durch Verminderung der notwendigen Windungen seiner Primärwicklung 41 zu erleichtern.

Wenn die Auslöseperiode T_Q der Gleichrichter 1 und 2 gleich einem ganzen, ungeraden Vielfachen der Periode T des erzeugten Wechselsignals gewählt wird, sind die von den Gleichrichtern 1 und 2 abgegebenen und in der Primärwicklung 41 des Übertragers 4 fließenden Ströme entgegengesetzt gepolt und es ist daher notwendig, die

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Vorrichtung der Fig. 1 entsprechend auszubilden. Eine derartige Ausbildung besteht z.B. darin, einen verschiedenen Wicklungssinn für die beiden primären Halbwicklungen 41 des Übertrages 4 vorzusehen. .

Jedoch ist in letzterem Fall eine Anordnung ähnlich der schematisch in Fig. 3 gezeigten mehr von Vorteil. Sie unterscheidet sich von der der Fig. 1 dadurch, daß die beiden Abstimmungsinduktivitäten 3 einen gemeinsamen Punkt haben. Zwischen diesem gemeinsamen Punkt und Masse sind der Abstimmungskondensator 6 mit den Induktivitäten 3 und der Primärwicklung 41 des Ausgangsübertragers 4 in Reihe geschaltet. Der Abstimmungskondensator 9 des Übertragers ist noch parallel zu dessen Primärwicklung 41 geschaltet. In einer solchen Schaltung hat der in der Primärwicklung des Übertragers 4 infolge des Gleichrichters 1 fließende Strom eine zu dem infolge des Gleichrichters 2 fließenden Strom entgegengesetzte Polarität.

Die Fig. 4 zeigt Zeitdiagramme I des Stroms in den Gleichrichtern 1 und 2 und V der Spannung an den Anschlüssen des Gleichrichters 1 im Falle der Trennperiode T = 3T. Diese Diagramme, die dem Beispiel der Fig. 3 entsprechen, zeigen, daß die Sperrzeit T- größer als die Periode T des Wechselsignals ist.

In der vorangegangenen Beschreibung war es unzweifelhaft, daß die Wechselrichtervorrichtungen, deren Anzahl m von Paaren von Gleichrichterelementen mit gesteuerter . Leitung gleich 1 ist, wobei die Anzahl ρ der Perioden T des erzeugten Wechselsignals, die zwei aufeinanderfolgende Auslösungen des gleichen Elements trennen, daher stets größer als m ist. >..-...

Im Gegensatz zu den üblichen Vorrichtungen, bei denen das die Auslösung eines Elements von der des folgenden

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Elements trennende Zeitintervall stets gleich ·* ist, hat "bei den Vorrichtungen gemäß der Erfindung dieses Intervall eine Dauer -^ i, so daß die erzeugte Spannung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Auslösungen eine Dämpfung A erfährt. Es ist bekannt, daß für einen gedämpften Schwingkreis die Gesetzmäßigkeit der Abnahme der Spannung die Form e χ p(2 |) hat, wenn man mit Q den Gütefaktor des Schwingkreises bei Belastung bezeichnet. Wenn die zugelassene Dämpfung A in dB ausgedrückt wird, zeigt sich, daß der Güt 21

werden muß.

daß der Gütefaktor Q größer als Q_Q = 2^1 . E gewählt

Wenn die Anzahl m von Paaren von Gleichrichterelementen gleich 1 ist, kann die Größe von Q ausreichend hoch sein, je nachdem, ob die Anzahl ρ der Perioden T groß oder die zugelassene Dämpfung A klein ist, was eine Verminderung des Durchlaßbereichs des erzeugten Wechselsignals zur Wirkung hat.

Gemäß der Erfindung macht man sich von dieser Durchlaßbereichbegrenzung frei, indem man m>1, jedoch kleiner als ρ bzw. 1<m<p wählt. Die Frequenz des Signals, das ein derartiger Wechselrichter somit liefern kann, beträgt etwa F = £z_ . sr-. Bei einem bekannten Wechsel-

ifl -L η

richter mit ρ = m, f ür m = 2, ist diese Frequenz gleich F =97h—, während für einen Wechselrichter gemäß der

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Erfindung mit m = 2 und z.B. ρ = 4, man F = rw- er-

hält, was eine wesentliche Erhöhung der Frequenz darstellt.

Es wurden somit Wechselrichter bzw. Wandlervorrichtungen elektrischer Energie beschrieben, bei denen die maximale Betriebsfrequenz bei gleicher Anzahl von Paaren von Gleichrichterelementen gegenüber den bekannten Vorrichtungen wesentlich erhöht ist. In der vorangegangenen

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T Beschreibung wurde der Fall der Leitungsdauer T_ gleich -s nicht berücksichtigt. Es ist selbstverständlich, daß man die Frequenzleistungsfähigkeit dieser Wechselrichter auch erhöhen kann, wenn man die Dauer T_ vermindert. Dies erreicht man, wenn man die Größen L und C der Induktivitäten 3 und des Kondensators 6 derart wählt, daß die Be-

0 ir O

Ziehung LC (¹Om"-) = 1 erfüllt ist. Die maximale Frequenz,

3
die erhalten werden kann, beträgt daher F = *-=—

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für T₃ < §.

Wechselrichter entsprechend den zuvor beschriebenen können vorteilhaft in Sonarsendesystemen oder auch für die Speisung von Induktionsöfen verwendet werden.

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Claims

Patentansprüche

/Τ.^Wechselrichter zur Erzeugung eines Wechselstroms hoher ^-^ Frequenz, "bestehend aus m Paaren von Gleichrichterelementen mit gesteuerter leitung, wobei m eine ganze Zahl wenigstens gleich Eins ist, der Leitungs- bzw. Sperrzustand der in Reihe geschalteten Gleichrichterelemente periodisch von einem AuslöseSignalgenerator derart gesteuert wird, daß jedes der Reihe nach einen Umwandlungsschwingkreis erregt, der einen Lastkreis mit Wechselstrom speist, und die Trennperiode T zwischen zwei aufeinanderfolgenden Auslösungen des gleichen Gleichrichterelementes gleich einem ganzen Vielfachen pT der Periode T des erzeugten Wechselsignals ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl ρ größer als die Zahl m von Paaren von Gleichrichterelementen (1, 2) gewählt ist, so daß die Zeitintervalle T, die die Auslösung eines Gleichrichterelements von derjenigen des folgenden Gleichrichterelements trennt, stets größer als die Halbperiode π ist, und daß die Dauer T~ des leitungszustandes für alle Gleichrichterelemente des Wechselrichters gleich und stets kleiner als die oder gleich der Halbperiode S ist, so daß die Sperrdauer T, der Gleichrichterelemente im Wechselrichter um ρ % - T, und damit entsprechend die Betriebsfrequenz des Wechselrichters erhöht werden kann.

2, Wechselrichter nach Anspruch 1, bei dem die maximal erzeugte Frequenz zu dem Belastungs-Gütefaktor (Q) des Umwandlungsschwingkreises in Beziehung steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Gütefaktor (Q) größer als Q = ^2^1 _# Έ. gewählt wird, wobei A die zugelassene Spannungsdämpfung ausgedrückt in dB ist, so daß die von dem Wechselrichter maximal erzeugte Frequenz etwa gleich F = --^— » ^wenn mit T₂ die Erholungszeitkenngröße

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bzw. Abschaltzeit der verwendeten Gleiehrichterelemente (1, 2) bezeichnet ist.

3. Wechselrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe (1) der Induktivitäten (3) und der Kapazität (0) des Abstimmkondensators (6) des Umwandlungsschwingkreises (3, 6) derart gewählt sind, daß die Beziehung LG (frf-)² «Ί erfüllt ist, so daß die maximale frequenz des von dem Wechselrichter erzeugten Signals erhöht wird, wenn die leitung.sdauer T, vermindert wird.

4. Wechselrichter nach Anspruch 1, "bei dem ein Ausgangsübertrager zwischen den Schwingkreis und den Lastkreis ' geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der iTber-

' trager (4)auf die Frequenz (l) des erzeugten Wechselsignals abgestimmt ist und die Filterung dieses Signals bewirkt.'

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