DE2319987A1 - Wechselrichter - Google Patents
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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.
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.
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 = ·| + Τχ 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 TQ 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 QQ = 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
2 3
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
30 9843/0978
231998")
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 = *-=—
die erhalten werden kann, beträgt daher F = *-=—
2 3
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 (1)
- 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 Erholungszeitkenngröße3098 A3/09 78bzw. 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.'3/0978Leerseite
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