DE2452921A1

DE2452921A1 - Stromumformervorrichtung

Info

Publication number: DE2452921A1
Application number: DE19742452921
Authority: DE
Inventors: Muneaki Takeuchi; Seizo Tamii
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1973-11-07
Filing date: 1974-11-07
Publication date: 1975-05-22
Also published as: FR2250223B1; FR2250223A1; CH601937A5; DE2452921B2; GB1492750A; JPS5074738A; US3986098A

Description

PATE NTANWÄLTE

HENKEL, KERK FEILER &HÄNZEL

BAYERISCHE HYPOTHEKEN- UND

TELEX: 05 29 802 HNKL D ΒηΐΙΔΡΓ» CfHMin STRÄSSF 1 WECHSELBANKMÜNCHENNr.318-85111

ΕυυΑΚυ-ο^ίΙΐνΐΐυ-ΪΙΙΚ.ΑίίΕ ^ nuF«;nNPP HANIf ΜΥ1ΝΓΗΡΝ 1914

telefon, (us!*) 66Jiν/, 66juvi « D-8000 MÜNCHEN 90 Postscheck: München 162147 -

TELEGRAMME: ELLIPSOID MÜNCHEN ^ ouuw ivi υ ι ^ηι,ιι

MITSUBISHI DENKI KABUSHIKI KAISHA, Tokio./ JAPAN

Stromumformervorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Stromumformervorrichtung zum Umformen eines elektrischen Stroms aus seiner Wechselstromform in eine Gleichstromform und umgekehrt.

Es sind bereits zahlreiche Arten von Umformern zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom sowie verschiedene Arten von Wechselrichtern zur Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom bekannt. Beispiele für derartige Umformer sind Gleichrichtervorri chtungen.

Bei bestimmten elektrischen Vorrichtungen, z.B. bei nicht-unterbrechbaren Stromversorgungen oder ReserveStromversorgungen, ist

509821/0294 " ² "

es erforderlich j, sowohl einen Wechsel- in einen Gleichstrom als auch einen Gleich- in einen Wechselstrom umzuformen. Die herkömmlichen elektrischen Vorrichtungen, welche die Fähigkeit zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom und umgekehrt besitzen, weisen im allgemeinen sowohl einen Umformer zum Umformen des Wechselstroms in einen Gleichstrom als auch einen Wechselrichter zur Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom auf. Die Kosten für Umformer sind dabei im allgemeinen gleich hoch oder höher als die Kosten für Wechselrichter. Die Verwendung von zwei Umformervorrichtungen_s nämlich eines Umformers und eines Wechselrichters₉ führte daher zu einer aufwendigen und großen elektrischen Vorrichtung«

Zur Ausschaltung dieser Nachteile wurde bereits vorgeschlagen, selektiv eine einzige Umformervorrichtung als Umformer und als Wechselrichter zu verwenden_s indem die elektrische Verbindung der Vorrichtung zwischen den WechselstromzGleichstrom- und den Gleichstrom:Wechselstrom-Umformbetriebsarten umgeschaltet wird. Dieses Verfahren eignet sich für elektrische Vorrichtungen, bei denen sich die Zeitspanne₉ in welcher sie in der Wechselstrom; Gleichstrom-Betriebsart arbeiten, nicht mit der Zeitspanne überschneidet ₉ in welcher die Vorrichtungen in der Gleichstrom? Wechselstrom-Betriebsart arbeiten„ Die vorstehend erwähnten₉ nicht-unterbrechbaren und Reserve- oder NotStromversorgungen stellen derartige Vorrichtungen dar» Bei derartigen elektrischen Vorrichtungen kann durch die selektive Verwendung einer einzigen Umformervorrichtung als Umformer und als Wechselrichter die Größe der Vorrichtung verringert werden₉ während die Kosten- für diese Vorrichtung gleichseitig nahezu halbiert werden. Da jedoch dabei die elektrische Stromverbindung zwischen den beiden Umformbetriebsarten umgeschaltet werden muß_s vergeht eine bestimmte Zeitspanne» bis die WechselstromsGleichstrom-' Betriebsart auf die GleichstromiWschselstrom-Betriebsart und umgekehrt umgesehaltet ist= Dies führte bei nicht-unterbreeh-

eft A Λ *% «J ; Λ A A J
03821 /0294

baren Stromquellen zu einem Stromausfall während dieser Umschaltzeit. Zudem ist für das Umschalten eine zusätzliche Steuerschaltung erforderlich.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte und zweckmäßige Stromumformervorrichtung zu schaffen, die mit einer einzigen Umwandler- oder Umformervorrichtung und ohne Änderung der elektrischen Verbindung bzw. Schaltung der Vorrichtung entweder in der Wechselstrom:Gleichstrom- oder in der Gleichstrom!Wechselstrom-Betriebsart zu arbeiten vermag.

Diese Aufgabe wird bei einer Stromumformervorrichtung der genannten Art erfindungsgemäß gelöst durch zwei Klemmen- oder Anschlußeinrichtungen, eine Stromumformerschaltung mit einem ersten, an die erste Anschlußeinrichtung angeschlossenen Schaltkreis zur Ermöglichung der Speicherung einer elektrischen Energie und einem zweiten Schaltkreis mit einem Schaltelement zur periodischen Wiederholung der Ein- und Aus- bzw. Durchschalt- und Sperrbetätigungen, wobei der zweite Schaltkreis zur Ermöglichung der Bildung einer geschlossenen Stromschleife an die zweite Klemmen- oder Anschlußeinrichtung angeschlossen ist, durch eine Einrichtung zur Anlegung eines Wechselstroms an die erste Anschlußeinrichtung und eine Einrichtung zum Anlegen eines Gleichstroms an die zweite Anschlußeinrichtung, wobei die Umformerschaltung auf die Anlegung des Wechselstroms an die erste Anschlußeinrichtung anspricht, um eine erste Zeitspanne,während welcher der zweite Schaltkreis die geschlossene Stromschleife zur Speicherung der elektrischen Energie im ersten Schaltkreis bildet, und eine zweite Zeitspanne sich einander abwechselnd wiederholen zu lassen, während welcher die geschlossene Stromschleife unterbrochen ist und an der zweiten Anschlußeinrichtung eine Gleichspannung entsprechend der im ersten Schaltkreis gespeicherten elektrischen Energie erzeugt wird, und wobei die Umformersehaltung auf die Anlegung des Gleichstroms an die zweite Anschlußeinrichtung anspricht, um auf

509821/0294

der Grundlage der Durchschalt- und Sperrbetätigungen des Schaltelements eine Wechselspannung an der ersten Anschlußeinrichtung zu erzeugen, wobei das Schaltelement des zweiten Schaltkreises wiederholt und abwechselnd ein- und ausgeschaltet wird, so daß eine Wechselspannung an der ersten Anschlußeinrichtung erzeugt wird.

In bevorzugter Ausfuhrungsform der Erfindung kann die Stromumformerschaltung einen Transformator mit einer ersten Wicklung, die an einen Filterkreis zur Speicherung der elektrischen Energie während der ersten Zeitspanne angeschlossen ist, und eine zweite Wicklung aufweisen, bei welcher ein erster Thyristor zwischen ihr eines Ende und die zweite Anschlußeinrichtung eingeschaltet ist, wobei ein zweiter Thyristor zwischen das andere Ende der Wicklung und die zweite Anschlußeinrichtung geschaltet ist, während ein dritter und ein vierter Thyristor in Reihenschaltung über die zweite Wicklung geschaltet sind. Erster und zweiter Thyristor sind so gepolt, daß ein Strom von der zweiten Anschlußeinrichtung durch sie hindurch in die zweite Wicklung fließt, während der dritte Thyristor eine dem vierten Thyristor entgegengesetzte Polarität besitzt, wobei jeder dieser Thyristoren in Antiparallelschaltung über einen getrennten Halbleiter geschaltet ist.

In weiterer bevorzugter Ausführungsform der Erfindung kann die Stromumformerschaltung einen Transformator aufweisen, dessen erste Wicklung in Reihenschaltung an einen Filterkreis zur Speicherung der elektrischen Energie während der ersten Zeitspanne angeschlossen ist und bei dessen zweiter Wicklung ein erster und ein zweiter Thyristor zwischen ihr eines Ende und die eine Klemme der zweiten Anschlußeinrichtung geschaltet sind, während ein dritter Thyristor und ein vierter Thyristor zwischen das andere Ende der zweiten Wicklung und die andere Klemme der zweiten Anschlußeinrichtung eingeschaltet sind, wo-

509821/029A

bei eine Halbleiterdiode in Antiparallelschaltung über jeden Thyristor geschaltet ist und wobei die Anordnung so getroffen ist, daß im Fall einer über die zweite Anschlußeinrichtung angelegten Gleichspannung das Durchschalten des ersten und des dritten Thyristors einen Stromfluß von der einen Klemme zur anderen der zweiten Anschlußeinrichtung bewirkt, während beim Durchschalten des zweiten und des vierten Thyristors ein Strom von der anderen Klemme zur ersten Klemme der zweiten Anschlußeinrichtung fließt.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Not- oder Reservestromquelle gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer nicht-unterbrechbaren Stromquelle gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 3 ein Schaltbild einer Ausführungsform einer Stromumformerschaltung mit einer Umformervorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. M eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Gleichstrom: Wechselstrom-Umformung bei der Anordnung gemäß Fig. 3,

Fig. 5 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Wechselstrom:Gleichstrom-Umformung bei der Anordnung gemäß Fig. 3,

Fig. 6 eine graphische Darstellung von Wellenformen des Stroms und der Spannung, die bei der nach der Wechselstrom: Gleichstrom-Umformbetriebsart arbeitenden Anordnung gemäß Fig. 3 erzeugt werden,

509821/0294

Fig. 7 eine graphische Darstellung des Verhältnisses zwischen einer Ausgangs-Gleichspannung und dem Pausenwinkel bei der mit Wechselstrom:Gleichstrom-Umformung arbeitenden Anordnung gemäß Fig. 3,

Fig. 8 eine Fig. 6 ähnelnde graphische Darstellung, welche die in einer etwas anderen Betriebsart der Anordnung erzeugten Wellenformen zeigt,

Fig. 9 ein Teilschaltbild einer anderen Ausführungsform der bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Stromumformers ehaltung,

Fig.IO eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise der Anordnung gemäß Fig. 9»

Fig.11 eine Fig. 10 ähnelnde graphische Darstellung, welche jedoch eine etwas andere Arbeitsweise der Anordnung gemäß Fig. 9 als in Fig. 10 veranschaulicht,

Fig.12 ein Schaltbild einer an die Anordnung gemäß Fig. 9 angeschlossenen Kommutatorschaltung,

Fig.13 ein Fig. 12 ähnelndes Schaltbild, das jedoch eine Abwandlung der Anordnung gemäß Fig. 12 zeigt,

Fig.14 ein Blockschaltbild der grundsätzlichen Form einer Stromumformervorrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung und

Fig.15 ein Blockschaltbild einer nicht-unterbrechbaren elektrischen Stromquelle mit Merkmalen nach der Erfindung.

509821/0294

Zum "besseren Verständnis des Aufbaus und der Arbeitsweise der Erfindung sind im folgenden bereits verwendete nichtunterbrechbare (uninterruptible) und Not- oder Reserve-Stromquellen zur Lieferung von elektrischem Strom erläutert. Wie eingangs erwähnt, sind bei diesen bekannten elektrischen Stromquellen der Umformer und der Wechselrichter getrennt voneinander vorgesehen. Bei der bekannten elektrischen Reserve- oder Notstromquelle gemäß Pig. 1 ist eine Gleichstromquelle 10, im dargestellten Pail eine Batterie, mittels eines Umformers 14 über eine Wechselstromquelle 12 geschaltet und außerdem mit einem Schalter 16A verbunden, der anschließend an einen Inverter oder Wechselrichter 18 angeschlossen ist. Der Wechselrichter 18 ist mittels eines mit dem Schalter 16A gekoppelten Umschalters 16 mit einem Wechselstromausgang 20 verbindbar. Gemäß Pig. 1 ist die Wechselstromquelle 12 außerdem über den Umschalter 16 unmittelbar mit dem Wechselstromausgang 20 verbunden.

In der Normalbetriebsart liefert die Wechselstromquelle 12 über den Umschalter 16 unmittelbar einen Wechselstrom zum Wechselstromausgang 20, während gleichzeitig der von der Wechselstromquelle 12 gespeiste Umformer 14 den Wechselstrom in einen Gleichstrom umformt, der zum Aufladen der Batterie 10 benutzt wird. Beim Auftreten einer Störung in der Wechselstromquelle 12 schaltet der Umschalter 16 um, so daß der Wechselrichter 18 mit dem Wechselstromausgang verbunden ist, während gleichzeitig der Schalter 16A in seine Schließstellung gebracht wird, in welcher er die Batterie 10 mit dem Wechselrichter 18 verbindet. Der Wechselrichter 18 wandelt dabei den von der Batterie 10 gelieferten Gleichstrom in einen Wechselstrom um. Dieser Wechselstrom wird über den geschlossenen Umschalter 16 an den Wechselstromausgang 20 angelegt.

609821 /0294

In Pig. 2, in welcher die den Teilen von Pig. 1 entsprechenden Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, ist eine nicht-unterbrechbare elektrische Stromquelle dargestellt, welche der Reservestromquelle gemäß Pig. 1 mit dem Unterschied entspricht, daß die Schalter 16 und 16A weggelassen sind. Die Wechselstromquelle 12 liefert normalerweise einen Wechselstrom zum Umformer 14, in welchem der Wechselstrom in einen Gleichstrom umgewandelt wird. Der umgewandelte Gleichstrom wird in der Batterie 10 gespeichert und gleichzeitig am Wechselrichter 18 angelegt, durch welchen er wieder in einen Wechselstrom umgewandelt wird. Dieser umgeformte Wechselstrom wird an den Wechselstromausgang 20 geliefert. Wenn eine Störung der Wechselstromquelle 12 auftritt, wird der Gleichstrom von der Batterie 10 dem Wechselrichter 18 zugeführt, um zu einem Wechselstrom umgeformt zu werden. Der umgeformte Wechselstrom wird dann wiederum an den WechselStromausgang 20 angelegt.

Bei den bekannten Stromquellen gemäß den Pig. 1 und 2 sind jedoch ein Umformer und ein Wechselrichter erforderlich, die unabhängig voneinander ausgebildet sind, wodurch die Schaltung teuer wird, weil die Kosten für den Umformer normalerweise gleich hoch oder höher sind als die Kosten für den Wechselrichter. Zur Senkung der Kosten für derartige Stromquellen kann der Wechselrichter so modifiziert werden, daß einige seiner Bauteile als Teile des Umformers benutzt werden können und es kann gleichzeitig ein Umschalter verwendet werden, um die Schaltkreisverbindung zu ändern, so daß der Wechselrichter zum Umformer umgeschaltet wird. Dieses Vorgehen ist jedoch insofern zu beanstanden, als infolge der Änderung der Schaltkreisverbindung während des Übergangs von der Wechselstromumformung auf die Gleichstromumformung und umgekehrt notwendigerweise eineUnterbrechung auftritt.

509821/0294

Die Erfindung bezweckt die Ausschaltung des vorgenannten Nachteils durch Schaffung einer Stromumformervorrichtung, bei welcher ein in der Vorrichtung vorgesehener Wechselrichter als Umformer betrieben werden kann, ohne daß eine spezielle Änderung der elektrischen Verbindungen der Vorrichtung erforderlich wäre.

In Fig. 3 ist eine Stromumformerschaltung zur Verwendung bei einer erfindungsgemäßen Stromumformervorrichtung dargestellt. Bei der dargestellten Ausführungsform ist eine elektrische Gleichstromquelle 10 in Form einer Batterie vorgesehen, die zwischen eine Plusklemme 22 und eine Minusklemme 24 geschaltet ist. Die Batterie kann selektiv als Gleichstromquelle bei der GleichstromrWechselstrom-Umformung und als Gleichstromlast bei der Wechselstrom:Gleichstrom-Umformung verwendet werden. Die dargestellte Ausführungsform weist außerdem einen allgemein mit 30 bezeichneten Umschaltkreis auf, der seinerseits einen Hauptschaltkreis, einen Hilfs- bzw. Nebenschaltkreis und einen Kommutatorschaltkreis aufweist, die mit 40, 50 bzw. 60 bezeichnet sind. Genauer gesagt, weist der Hauptschaltkreis 40 zwei Hauptschaltelemente 42 und 44, bei der dargestellten Ausführungsform Thyristoren, deren Anoden über ihre Verzweigung 32 mit der Plusklemme der Gleichstromquelle 10 verbunden sind, sowie zwei Halbleiterdioden 46 und 48 auf, die in Antiparallelschaltung über die zugeordneten Thyristoren 42 bzw. 44 geschaltet sind.

Der Hilfsschaltkreis 50 enthält zwei Hilfsschaltelemente und 54, bei der dargestellten Ausführungsform Thyristoren, deren Anoden über eine Verzweigung 34 zusammengeschaltet sind, sowie zwei Halbleiterdioden 56 und 58, die in Antiparallelschaltung über die Thyristoren 52 bzw. 54 geschaltet sind. Die Kathode des Thyristors 52 und die Anode der Diode 56 sind mit einer Verzweigung 36 verbunden, an welche

509821/0294

-.1C -

auch die Kathode des Hauptthyristors 42 und die Anode der Diode 46 angeschlossen sind. Auf ähnliche Weise sind die Kathode des Thyristors 54 und die Anode der Diode 58 an die Verzweigung 38 zwischen der Kathode des Hauptthyristors 48 und der Anode der Diode 48 angeschlossen.

Der über die Verzweigungen 32 und 34 geschaltete Kommutatorkreis 60 weist eine Kommutatordrossel 62 und einen Kommutatorkondensator 64 auf, die miteinander in Reihe geschaltet sind. Die nahe der Verzweigung 32 befindliche Klemme des Kondensators 64 wird im folgenden als "Klemme a" bezeichnet, während seine andere Klemme im folgenden als "Klemme b" bezeichnet wird.

Die Schaltelemente 42, 44, 52 und 54 können auch durch beliebige andere Transistoren als die Thyristoren gebildet werden. Außerdem kann jede Antiparallelkombination aus Thyristor und Diode durch einen in Gegenrichtung leitenden Thyristor ersetzt werden.

Gemäß Pig. 3 ist der Umschaltkreis 30 an einem allgemein mit 70 bezeichneten Transformator angeschlossen. Genauer gesagt, weist der Transformator 70 zwei in Reihe geschaltete Primärwicklungen 72 und 73, deren Endklemmen bzw. Endanschlüsse 74 und 78 mit den Verzweigungen 36 bzw. 38 verbunden sind, sowie eine Mittehanzapfung 76 auf, die über ein stromfühlendes Impedanzelement 80 mit der Minusklemme 24 der Gleichstromquelle 10 verbunden ist. Außerdem weist der Transformator 70 eine einzige Sekundärwicklung 82 mit zwei Klemmen bzw. Anschlüssen 84 und 86 auf.

Die Klemme 84 der Transformator-Sekundärwicklung 82 ist mit einem allgemein mit 90 bezeichneten Pilterkreis bzw. Energiespeicherkreis verbunden, der eine mit einem Kondensator 94 in Reihe geschaltete Drossel 92 aufweist. Der Kondensator

509821/0294

ist dabei an einer Wechselstromquelle 102 mit einer allgemein "bei 100 angedeuteten Wechselstromvorrichtung verbunden. Die Klemme 86 der Transformator-Sekundärwicklung 82.ist unmittelbar mit der anderen Wechselstromquelle 104 der Wechselstromvorrichtung 100 verbunden.

Die Wechselstromvorrichtung 100 besteht aus einer üblichen Wechselstromquelle 63, die mittels eines Schalters 110 über eine Wechselstromlast 108 geschaltet ist.

Gemäß Fig. 3 ist ein weiterer, mit 120 bezeichneter Filterkreis über die Wechselstromquellen 102 und 104 an die Wechselstromvorrichtung 100 angeschlossen. Der Filterkreis 120 weist zwei parallele Stromkreiszweige 120a und 120b auf. Der Stromkreiszweig 120a wird durch eine mit einem Kondensator 124 in Reihe geschaltete Drossel 122 gebildet, während der Zweig 120b durch einen einzelnsn Kondensator 126 gebildet wird.

Zur Ansteuerung der Schaltelemente bzw. der Thyristoren 42, 44» 52 und 54 weist die dargestellte AusfUhrungsform weiterhin einen allgemein mit 130 bezeichneten Steuerkreis auf. Der Steuerkreis 130 enthält vier £usgangsabschnitte 132, 134, 136 und 138, über welche Steuer- bzw. Triggersignale S42, S44, S52 bzw. S54 an die Schaltelemente bzw. Thyristoren 42, 44, 52 bzw. 54 angelegt werden. Wenn die Schaltelemente durch Thyristoren gebildet sind, sind die jeweiligen Ausgangsabschnitte ersichtlicherweise über die Gate-Elektrode und die Kathode der zugeordneten Thyristoren geschaltet, obgleich diese Verbindungen aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit nicht veranschaulicht sind.

An den Steuerkreis 130 sind außerdem drei Fühler- bzw. Detektorleitungen 140, 142 und 144 angeschlossen. Die erste Detektorleitung 140 vermag eine Gleichspannung an den

509821/0294

Gleichstromquellen 22 und 24 festzustellen, während die zweite Detektorleitung 142 eine Wechselspannung an den Wechselstromquellen 102 und 104 und die dritte Detektorleitung einen Gleichstrom feststellt, welcher über das Impedanzelement 80 infolge eines Spannungsabfalls über dieses fließt, Diese Fühler- bzw. Detektorleitungen steuern die Triggersignale vom Steuerkreis 150 in Abhängigkeit von den festgestellten Spannungen bzw. vom festgestellten Strom.

Im folgenden ist die Arbeitsweise der Schaltung gemäß Fig. in der GleichstromzWechselstrom-Umformbetriebsart anhand von Fig. 4 näher erläutert. Hierbei sei angenommen, daß die Schaltelemente 42, 44» 52 und 54 durch die Thyristoren gebildet sind. In Fig. 4 bezeichnen die Wellenformen (a), (b), (c) und (d) die von den Ausgangsabschnitten 132, 134, 136 bzw. 138 des Steuerkreises 130 an die Thyristoren 42, 44» 52 bzw. 54 angelegten Ansteuer- bzw. Triggersignale S42, S44, S52 bzw. S54, die so hohe Werte bzw. Pegel besitzen, daß die zugeordneten Thyristoren in ihren Durchschaltzustand getriggert werden. In Fig. 4(e) ist bei V₈₂ eine an der Transformator-Sekundärwicklung 82 anliegende Spannung in Verbindung mit einem gefilterten Strom I-, dargestellt, welcher infolge dieser Spannung Vgp über den Filterkreis 90 fließt. Der Strom Ip stellt bei der Gleichstrom: Wechselstrom-Umformung einen Ausgangsstrom dar. Der Strom Ij₁ ist lediglich zur Erleichterung des Verständnisses der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung als eine Sinuswelle dargestellt, während er tatsächlich häufig eine komplizierte Wellenform besitzt. In Fig. 4(e) bezeichnet außerdem das Symbol θ eine Schaltperiode bzw. einen Leitwinkel, während welcher bzw. über den die Thyristoren 42 und 44 mit den Dioden 46 und 48 zusammenwirken und einen Strom zwischen der Gleichstromquelle 10 und dem Transformator 70 leiten, während das Symbol ψ eine Pausenperiode ent-

509821 /029A

sprechend einem Intervall zwischen je zwei nebeneinanderliegenden Durchschaltperioden bzw. einem Pausenwinkel zwischen je zwei nebeneinanderliegenden Leitwinkeln angibt.

Bei der Gleichstrom!Wechselstrom-Umformung wird ein Gleichstrom von der Gleichstromquelle 10, z.B. einer über die Gleichstromquellen 12 und 24 geschalteten Batterie, in einen Wechselstrom umgeformt, der seinerseits an die über die Wechselstromklemmen 102 und 104 geschaltete Wechselstromlast 108 angelegt wird. Dies kann z.B. erfolgen, wenn die über die Wechselstromklemmen 102 und 104 geschaltete Wechselstromquelle 106 beim Auftreten einer Störung in der Wechselstromquelle 106 durch den Schalter 110 von der Last 108 getrennt wird.

Es sei angenommen, daß der Kommutatorkondensator 64 mit einer der Spannung an der Gleichstromquelle 10 entsprechenden Spannung mit solcher Polarität aufgeladen wird, daß die Klemme a (vergl. Fig. 3) zum Zeitpunkt t. gemäß Fig. 4 gegenüber der Klemme b positiv ist. Diese Polarität wird im folgenden als "Dauerzustandspolarität" bezeichnet. Wenn ein dem Thyristor 42 zugeordnetes Anst^uersignal S42 zum Zeitpunkt t₁ auf seinen hohen Wert bzw. Pegel ansteigt, wird der Thyristor 42 gemäß Fig. 4(f) durchgeschaltet. Durch dieses Durchschalten des Thyristors 42 wird ein geschlossener Schaltkreis geschlossen, der aus folgenden Abschnitten besteht: Gleichstromquelle 10, Klemme 22, Verzweigung 32, Thyristor 42, Verzweigung 36, Endklemme 74 > Primärwicklung 72, Mittelanzapfung 76, Inpedanzelement 80, Klemme 24. Infolgedessen wird die Spannung an der Gleichstromquelle 10 über die Primärwicklung 72 angelegt. Aus diesem Grund erhöht sich die Größe der an der Sekundärwicklung 82 induzierten Spannung V₈₂ mit vorbestimmter Polarität gemäß Fig. 4(e). Gleichzeitig kann sich infolge des Durchschaltens des Thyristors 42 der Kondensator 64 über einen ge-

509821 /0294

"^U" 245292

schlossenen Schaltkreis entladen, der aus folgenden Abschnitten besteht: Kondensator 64, Klemme a, Drossel 62, Verzweigung 32, Thyristor 42, Verzweigung 36, Diode 56, Verzweigung 34» Klemme b. Diese Entladung wird infolge des Zusammenwirkens zwischen der Drossel 62 und dem Kondensator 64 oszillierend bzw. schwingend. Infolgedessen wird die Polarität der am Kondensator 64 anliegenden Spannung umgekehrt. Dies bedeutet, daß diese Spannung eine solche Polarität besitzt, daß die Klemme b nunmehr gegenüber der Klemme a positiv ist. Diese Polarität wird im folgenden als "Umkehrpolarität" bezeichnet.

Zum Zeitpunkt t₂ fällt das Ansteuersignal S42 für den Thyristor 42 auf seinen Wert Null ab, während gleichzeitig das dem Hilfsthyristor 52 zugeordnete Ansteuersignal S52 auf seinen hohen Wert bzw. Pegel ansteigt (vergl. Wellenform (b), Pig. 4). Dieser Vorgang hat auf ähnliche Weise ein Durchschälten des Thyristors 52 zur Folge, wie dies in Pig. 4(g) dargestellt ist. Infolge dieses Durchschaltens des Thyristors 52 kann sich der Kondensator 64 über einen geschlossenen Schaltkreis aus dem Kondensator 64, der Klemme b, dem Thyristor 52, der Verzweigung 36, der Diode 46 oder dem Thyristor $2, der Verzweigung 32, der Drossel 64 und der Klemme a entladen. Wenn dieser Entladungsstrom höher ist als ein zu diesem Zeitpunkt über dem Thyristor fließender Vorwärts- bzw. Durchlaßstrom, während die Dauer, während welcher der Entladungsstrom höher ist als der Durchlaßstrom, die durch den Thyristor 42 bestimmte Abschaltzeit übersteigt, wird der Thyristor 42 in den Sperrzustand gebracht. Es ist jedoch zu beachten, daß nach dem Sperren des Thyristors 42 ein Entladungsstrom über die Diode 36 von ihrer Anode zu ihrer Kathode fließt. Die Diode 46 befindet sich mithin in ihrem Durchschaltzustand, wie dies in Fig. 4(3) dargestellt ist. Aus diesem Grund fließt der Strom von der Gleichstromquelle 10 weiter über die Primär-

509821 /0294

wicklung 72, bis dieser Stronfluß zum Zeitpunkt t, (Fig. 4) "beendet wird. Der Kondensator 64 wird infolge der vorstehend "beschriebenen Entladung wiederum mit der Dauerzustandspolarität aufgeladen. Zum Zeitpunkt t,, zu welchem die Diode 46 sperrt, fällt die Spannung Vgg an der Sekundärwicklung 82 auf ihren Wert Null ab, worauf eine zum Zeitpunkt t^ beginnende leit- bzw. Durchschaltperiode θ abgeschlossen ist.

zustands
Dies bedeutet, daß die Lei1j(periode θ dem Intervall zwischen dem Zeitpunkt t.. und t» entspricht.

Während dieser Durchschalt- bzw. Leitjperiode θ fließt ein Strom I- (Fig. 4(e)) über die Transformator-Sekundärwicklung 82, während ein entsprechender Primärstrom während des Intervalls (t₁ - t~) bzw. zwischen den Zeitpunkten t.. und t, über folgenden Strompfad fließt: Gleichstromquelle 10, Klemme 22, Verzweigung 32, Thyristor 42 oder Diode 46, Verzweigung 36, Endklemme 74, Primärwicklung 72, Mittelanzapfung 76, Impedanzelement 80, Klemme 24. Während die Leitperiode θ zum Zeitpunkt t, abgeschlossen ist, bleibt der Thyristor 52 in seinem Durchschaltzustand und bildet somit eine erste geschlossene Stromschleife I, die von der Verzweigung 34 über den Thyristor 52, die Verzweigung 36, die Endklemme 74, die Primärwicklungen 72 und 73, die Endklemme 78 sowie die Diode 58 und von dieser zurück zur Verzweigung 34 verläuft. Da ein an der Sekundärwicklungsseite des Transformators 70 befindlicher Lastkreis Drosselkomponenten aufweist, fließt der Strom I^ während eines Intervalls zwischen den Zeitpunkten t~ und t. mit unveränderter Polarität weiter über diesen Lastkreis, während - wie erwähnt - ein entsprechender Primärstrom über die erste Stromschleife I fließt.

Zum Zeitpunkt t. wird der Strom I-, in seine Polarität umgekehrt, doch hat dabei das Ansteuersignal S54 für den Thyristor 54 bereits einen hohen Pegel bzw. Wert erreicht,

509821/0294

um diesen Thyristor durchzuschalten. Hierdurch wird eine zweite geschlossene Stromschleife II gebildet, die von der Verzweigung 34 über den Thyristor 54, die Verzweigung 38, die Endklemme 78, die Primärwicklung 73 und 72, die Endklemme 74 sowie die Diode 54 und zurück zur Verzweigung 34 verläuft. Die Polarität dieser zweiten Stromschleife II ist gegenüber derjenigen der ersten Stromschleife I praktisch umgekehrt. Infolgedessen kann ein dem Strom I-, entsprechender Primärstrom mit umgekehrter Polarität nach dem Zeitpunkt t. über die zweite geschlossene Stromschleife II fließen. Gemäß Pig. 4(h) bleibt der Thyristor 54 bis sum Zeitpunkt t,- in seinem Durchschaitzustando

Die Thyristoren 52 und 54 können während des Intervalls (tp - te) in unterschiedlich variabler Weise mit den betreffenden Ansteuersignalen S52 und S54 beaufschlagt werden. Beispielsweise besitzt der Thyristor 52 in diesem EaIl einen Anstiegszeitpunkt von t , der mit dem Zeitpunkt tp übereinstimmt, an welchem der Thyristor 42 in seinen Sperrzustand gebracht wird. Dieser Anstiegszeitpunkt t kann durch Ä'nde-

οχ- %ustands

rung des Zeitpunkts tg, zu welchem die Leiyperiode θ abgeschlossen ist, variiert werden. Dabei ist jedoch zu beachten, daß ein auf den AnstiegsZeitpunkt t_& folgender Ausschwingzeitpunkt unbedeutend ist. Mit anderen Worten: das Ansteuersignal S52 kann zu jedem gewünschten Zeitpunkt nach dem Zeitpunkt t₂ und vor dem Zeitpunkt t,- ausschwingen bzw. ausklingen. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der Strom I™ zum Zeitpunkt t,, wenn die Polarität dieses Stroms umgekehrt wird, automatisch auf seinen Wert Null abfällt, auch wenn dabei das Ansteuersignal S52 seinen hohen Wert bzw« Pegel besitzt. Der Ausschwingzeltpunkt wird jedoch normalerweise so gewählt, daß er nahezu mit dem Zeitpunkt t, zusammenfällt.

509821 /0294

Das Ansteuersignal S54 für den Thyristor 54 kann einen Anstiegszeitpunkt von t, besitzen, der so gewählt ist, daß er mit einem beliebigen Zeitpunkt zwischen den Zeitpunkten t, und t, zusammenfällt oder innerhalb eines Intervalls (t* - t.) liegt. Gemäß Fig. 4 ist der Anstiegszeitpunkt t^ so gewählt worden, daß er praktisch mit dem Zeitpunkt t, zusammenfällt. Das Ansteuersignal S54 für den Thyristor 54 besitzt vorzugsweise einen mit dem Zeitpunkt t,- zusammenfallenden Ausschwingzeitpunkt. Hierdurch wird das Durchschalten des Thyristors 54 auch dann sichergestellt, wenn die Wellenform des Laststroms so geändert wird, daß sich der Zeitpunkt t. für die Polaritätsumkehrung dem Zeitpunkt te annähert.

Zum Zeitpunkt t^ fällt das Steuersignal S54 für den Thyristor 54 auf seinen Wert bzw. Pegel Null ab, während das Ansteuersignal S44 für den Thyristor 44 auf seinen hohen Wert ansteigt. Die Arbeitsweise der Anordnung gemäß Fig. 3 ist zwischen dän Zeitpunkten t,- und t^ grundsätzlich dieselbe wie zwischen den Zeitpunkten t.. und t,-, jedoch mit folgenden Ausnahmen: Der Thyristor 44 wird während eines Intervalls (t,- - tg) (Fig. 4(i)) in seinen Durchschaltzustand versetzt, und zwar ebenso wie die Diode 48 während eines Intervalls (tg - t₇) (vergl. Fig. 4(k)) durchgeschaltet wird. Während eines Zeitintervalls (tg - t_Q) befindet sich der Thyristor 54 außerdem in seinem Durchschaltzustand, in welchem er - wie erwähnt - die zweite Stromschleife II bildet, während sich der Thyristor 52 während des Intervalls (to - t^) in seinem Durchschaltzustand befindet, in !-.reichem er die vorher beschriebene erste Stromschleife I herstellt. Während eines Intervalls (te - t«) fließt zudem ein Strom von der Gleichstromquelle 10 auf der Primärwicklungsseite des Transformators 70 über einen Strompfad aus folgenden Teilens Klemme 22, Verzweigung 32, Thyristor 44, Yerzwei-

509821 /0294

gung 38, Endklemme 78, Primärwicklung 73, Mittelanzapfung 76, Inipedanzelement 80, Klemme 24. Der Strom fließt dabei über die zweite, beschriebene geschlossene Stromschleife II während eines Intervalls (t™ - t_Q) und über die beschriebene

I ö

erste, geschlossene Stromschleife I während eines Intervalls (tg - t₁). Die Polarität des Stroms I-, wird ebenso wie zum Zeitpunkt t. zum Zeitpunkt t« umgekehrt.

Während eines Intervalls (tg - t«j) wird das Insteuersignal S52 für den Thyristor 52 während des Intervalls (t₂ - t,-) an dem Thyristor 54 angelegt und das Ansteuersignal S54 für den Thyristor 54 wird während des Intervalls (tg -te) anstelle des Ansteuersignals S52 für den Thyristor 52 benutzt .

Aus der vorstehenden Besehreibung ist ersichtlich, daß bei der Anordnung gemäß Fig. 5 eine Rechteekspannung Y₀₀ erzeugt

zustande ^d.

wird, deren Lei^fperiodea Θ sich mit ihren Pausenperioden abwechseln, und daß diese Spannung Vg₂ einen Stromfluß I₅₁ auch während der Pausenperioden bewirkt^ was zu einem stabilen Betrieb bei der Umformimg eines Gleichstroms in einen Wechselstrom führt *

Der Filterkreis 90 weist die Drossel 92 und den Kondensator 94 auf, die so gewählt sind, daß sie einen Reihenresonanzkreis bilden, der bei der Frequenz der Wechselstromlast 108 oder bei der G-rundfrequenz der üblichen Wechselstromquelle 106 mitschwingt ο Bei der GleichstromsWechselstrom-Umformung dient der Filterkreis 90 zur Ableitung der Grundfrequenzkomponente. Der vorstehend "beschrieben Strom I™ ist ein durch den lilterkreis 90 gefilterter Stros^ !welcher diese Grundfrequenz besitzt. Me fühler- hmv_a B@teId;orl@I-tung 142 dient zur Überwachung einer- Weeks el spannung an den Wechselstromquellen 102 und 104.9 während die Detektorleitung 144 einen lingangsetrom von der Gleichstromquelle

509821/029A

überwacht, um den Steuerkreis 130 so zu steuern, daß die festgestellte Wechselspannung und der Eingangsstrom auf vorbestimmte Größen eingestellt werden.

Aus der vorstehenden Beschreit>ung geht außerdem hervor, daß sich die Anordnung gemäß Pig. 3 dadurch auszeichnet, daß die Schaltelemente im Hauptschaltkreis 40 intermittierend in ihren Durchschaltzustand versetzt werden, so daß sie eine Intervall- bzw. Pausenperiode zwischen je zwei aufeinanderfolgenden Durchschlatzuständen festlegen, und daß die geschlossenen Stromschleifen während jeder dieser Pausenperioden gebildet werden.

Es hat sich herausgestellt, daß die Stromumformerschaltung gemäß Pig. 3 mit den eben beschriebenen kennzeichnenden Merkmalen effektiv einen Wechselstrom mit hohem Wirkungsgrad in einen Gleichstrom umzuformen vermag. Dieser sehr hohe Wirkungsgrad trägt zur Erzeugung eines Gleichstroms mit im Vergleich zu einem entsprechenden Eingangswechselstrom ausreichend hoher Größe bei, wobei die elektrischen Verbindungen der Stromumformerschaltung grundsätzlich unverändert bleiben.

Im folgenden ist die Ausftihrungsform gemäß Pig. 3 in Verbindung mit ihrer Arbeitsweise bei der Wechselstrom:Gleichstrom-Umformung anhand der Pig. 5 und 6 näher erläutert. Wenn ein Wechselstrom in einen Gleichstrom umgeformt werden soll, wird zunächst der Schalter 110. geschlossen, um die Wechselstromquelle 106 über die Wechselstromklemmen 102 und 104 zu schalten. Außerdem wird eine Gleichstromlast, etwa die Batterie 10, über die Gleichstromquellen 22 und 24 geschaltet. Die Steuersignale für die Schaltelemente 42, 44, ^2 und 54, bei der dargestellten Ausführungsform die !Thyristoren, sind dabei die gleichen wie bei der Umformung eines

509821/0294

2452321

ia einen Wechselstrom« Amß®rä©ii sei dab©! vor™ daß, der Filterkreis 90, der ©1s laergiespeiclierkreis dient, eine Drossel 92 mit einer Induktivität von 117 Millihenry und einen Kondensator 94 mit einer Kapazität von 600 pF besitzt und daß die Wechselstromquellen 102 und 104 über eine übliche Wechselstromquelle, etwa ein Wechselstromnetz mit einer Frequenz von 60 Hz und einer Spannung von 100 V geschaltet sind. Fig_e 5(a) und Fig. β veranschaulichen für die angenommenen Bedingungen einen über den Energiespeicherkreis 90 fließenden Strom I\ und eine an der Sekundärwicklung 82 des Transformators 70 anliegende Spannung Vg₂. Außerdem veranschaulicht Fig. 5(a) die Wellenformen bei einem über das Impedanzelement 80 fliessenden Gleichstrom von 1OA, während Fig. 6 die Wellenformen bei einem über das Impedanzelement 80 fließenden Gleichstrom mit einer Größe von praktisch gleich Null darstellt.

Die Ansteuersignale S42, S44, S52 und S54 für die Thyristoren 42, 44, 52 und 54 besitzen die Wellenform (b), (c), (d) bzw. (e) gemäß Fig. 5, welche im wesentlichen den gleichen Wellenformen (a) bis (d) gemäß Fig. 4 entsprechen. Fig. 5(f) zeigt die Durchschalt- und Sperrzustände der Dioden 40 in Abhängigkeit von der Zeit, die Figuren 5(g) und 5(h) veranschaulichen die Durchschalt- und Sperrzustände der Thyristoren 52 und 54 in Abhängigkeit von der Zeit und Fig. 5(i) zeigt ebenso wie Fig. 4(k) die Durchschalt- und Sperrzustände der Diode 48.

Die weiteren Zeitpunkte t.j, t₂, t,, t,-, tg und t„ gemäß Fig.5 entsprechen den mit den gleichen Bezeichnungen versehenen Zeitpunkten gemäß Fig. 4. Während die Zeitpunkte t¹, und t'₈ gemäß Fig. 5 und 6 den Zeitpunkten t. und t_Q gemäß Fig. 4 entsprechen, können erstere von letzteren abweichen und sind daher mit einem zusätzlichen Indexstrich bezeichnet.

509821 /029A

Im folgenden ist die Arbeitsweise der Anordnung gemäß Fig.3 anhand von Pig. 5 beginnend mit dem Zeitpunkt t₇ beschrieben, zu welchem der Thyristor 44 gesperrt ist. Es ist zu "beachten, daß bei der Umformung eines Wechselstroms in einen Gleichstrom der über den Schaltkreis 90 fließende Strom eine gegenüber der GleichstromzWechselstrom-Umformung umgekehrte Polarität besitzt. Dieser Strom ist daher mit I¹-, bezeichnet. Zum Zeitpunkt t₇ werden die Transformator-Primärwicklungen 72 und 73 somit von einem Strom mit einer solchen Polarität geschlossen, daß die Endklemme 78 gegenüber der Endklemme 74 positiv ist. Da das Ansteuersignal S52 für den Thyristor 52 zum Zeitpunkt t~ auf seinen hohen Wert ansteigt, wird der Thyristor 52 durchgeschaltet. Wie vorher beschrieben, wird durch das Durchschalten des Thyristors 52 die erste geschlossene Stromschleife I geschlossen, die aus folgenden Teilen besteht: Verzweigung 34, Endklemme 74, Primärwicklungen 72 und 73, Endklemme 78 und Diode 58. Das Schließen dieser ersten Stromschleife I führt praktisch zu einem Kurzschließen der Primärwicklungen 72 und 73 zwischen den Endklemmen 74 und 76, was gleichwertig dasselbe Ergebnis liefert, als wenn die Sekundärwicklung 82 zwischen den Sekundärklemmen 84 und 86 praktisch kurzgeschlossen wäre. Während eines Intervalls (t~ - t'g) fließt somit von der Wechselstromquelle 106 über den Energiespeicherkreis 90 ein Strom, dessen Größe unmittelbar vor dem Zeitpunkt t'₇ den Anfangszustand darstellt. Dies hat eine Speicherung von elektrischer Energie im Energiespeicherkreis 90 während des Intervalls (t„ - t'g,) zur Folge.

Zum Zeitpunkt t'g wird die Polarität des Stroms 1¹^, umgekehrt, um den Thyristor 52 in den Sperrzustand zu versetzen. Infolgedessen wird die erste geschlossene Stromschleife I unterbrochen und aufgehoben. Während sich alle restlichen Thyristoren zum Zeitpunkt·t'₈ in ihrem Sperrzu-

5098 21/0294

stand befinden, wird ein Speisekreis sur Primärwicklung 72 durch folgende Abschnitte gebildet: Endklemme 74» Diode 56, Verzweigung 34, Kommutatorkreis 60, Verzweigung 52, Klemme 22, Batterie 10, Klemme 24, Impedanzelement 80, Mittenanzapfung 76, Während der Kommutatorkondensator 64 mit einer solchen Polarität aufgeladen wird, daß die Klemme a gegenüber der Klemme b positiv ist, wird die Polarität des Stroms I'_ zum Zeitpunkt t'₈ umgekehrt, so daß ein entsprechender Strom über diesen Speisekreis fließt und somit der Strom der Batterie 10 zugeführt wird. Der der Batterie 10 zugeführte Strom wird durch die elektrische Energie geliefert, die während des Interfalls(t'„ - t'g) im Speicherkreis 90 gespeichert worden ist.

Sodann steigt ein Ansteuersignal S42 für den Thyristor 42 zum Zeitpunkt t.. auf seinen hohen Wert an, um den Thyristor durchzuschalten. Dabei entlädt sich der vorher mit der Dauerzustandspolarität bzw. bei gegenüber der Klemme b positiver Klemme a aufgeladene Kondensator 62 über einen Strompfad aus dem Kondensator 64, der Klemme a, der Drossel 62, der Verzweigung 32, dem Thyristor 42, der Verzweigung 36, der Diode 56 und der Klemme b. Folglich wird der Kondensator 64 mit umgekehrter Polarität aufgeladen.

Zu diesem Zeitpunkt wird der Thyristor 42 durchgeschaltet, während ein Strom auf der Primärwicklungsseite des Transformators 70 in der Weise fließt, daß die Endklemme 72 gegenüber der Mittenanzapfung 76 positiv wird. Dies bedeutet, daß der Strom von der pidklemme 74 über einen Strompfad aus der Diode 46, der Verzweigung 32, d@r Klemme 22, der Batterie 10, der Klemme 24, dem Impedanselement 80 und der Mittenanzapfung 76 fließt.

509821 /0294

Aus diesem Grund wird der Strom der Batterie 10 weiterhin mit einer Polarität zugeführt, bei welcher die Klemme 22 gegenüber der Klemme 24 positiv ist.

Zum Zeitpunkt t₂ schwingt das Ansteuersignal S42 für den Thyristor 42 auf seinen Wert Null aus, während stattdessen das Ansteuersignal S52 für den Thyristor 52 auf seinen hohen Wert ansteigt. Aus diesem Grund wird der Thyristor 42 zum Sperren gebracht, während der Thyristor 52 durchgeschaltet wird. Infolgedessen entlädt sich die umgekehrte Polarität besitzende ladung des Kondensators über den Thyristor 52, die Diode 56 und die Drossel 62, um den Thyristor 42 zu sperren, Während dieser Entladung wird der Kondensator 64 wiederum mit der Dauerzustandspolarit&t aufgeladen.

Während des Intervalls (t« - t*) fließt außerdem der Strom, bei welchem die Endklemme 74 gegenüber der Mittenanzapfung 76 positiv ist, weiterhin über die Diode 46 in die Batterie 10. Dieser Strom stammt ebenfalls von der elektrischen Energie her, die während eines Intervalls (t'₇ - ^'ft^ *^m En^ergi^e~ speicherkreis 90 gespeichert worden ist. Polglich wird die im Speicherkreis 90 während des Intervalls (t₇ - t'₈) gespeicherte elektrische Energie während des Intervalls (t'g - t,) der Batterie 10 zugeführt. Während ein Strom weiterhin durch die Endklemme 74 fließt, so daß diese während des Intervalls (t« - t,) gegenüber der Mittehanzapfung 76 positiv ist, bewirkt der Thyristor 52 die Aufladung des Kondensators 64 mit der DauerzustandspolaritJLt, um unmittelbar darauf zu sperren. Während in Fig. 5 der Thyristor 52 während des Interfalls (t₂ - t~) nur zur Erläuterung in seinem Durchschaltzustand dargestellt ist, ist darauf hinzuweisen, daß der Thyristor 52 eine äußerst kurze Durchschaltperiode besitzt.

509821 /0294

Danach erreicht ein Ansteuersignal S54 für den Thyristor am Zeitpunkt t~ seinen hohen Wert. Hierdurch wird der Thyristor 54 wegen des Vorhandenseins der Strompolarität, bei welcher die Klemme 74 zu diesem Zeitpunkt gegenüber der Klemme 78 positiv ist, unmittelbar durchgeschaltet. Durch das Durchschlaten des Thyristors 54 wird die vorstehend beschriebene, zweite geschlossene Stromschleife II vervollständigt, die folgende Abschnitt umfaßt: Verzweigung 34, Thyristor 54, Verzweigung 38, Endklemme 78, Primärwicklungen 73 und 72, Endklemme 74 und Diode 56. Wie erwähnt, führt das Schließen der zweiten Stromschleife II somit zu dem gleichen Ergebnis wie in dem Fall, in welchem die Primärwicklungen 72 und 73 und mithin die Sekundärwicklung 82 kurzgeschlossen sind. Aus diesem Grund kann wiederum im Energiespeicherkreis 90 eine elektrische Energie gespeichert werden, die so lange im Speicherkreis 90 gespeichert wird, bis die Polarität des Stroms I¹™ zum Zeitpunkt t¹. umgekehrt wird.

Während des Intervalls (t¹, - t^) bewirkt die im Energiespeicherkreis 90 gespeicherte elektrische Energie einen Stromfluß durch folgenden Strompfad: Endklemme 78, Diode 58, Verzweigung 34, Kommutatorkreis 60, Verzweigung 32, Klemme 22, Batterie 10, Klemme 24, Impedanzelement 80, Mittenanzapfung 76.

Während eines Zeitintervalls zwischen dem Zeitpunkt te, zu welchem der Thyristor 44 durchgeschaltet wird und dem Zeitpunkt trj, an welchem die Diode 48 sperrt, fließt ein Strom von der Primärwicklung 13 über folgenden Strompfad: Endklemme 78, Verzweigung 38, Diode 48, Verzweigung 32, Klemme 22, Batterie 10, Klemme 24, Impedanzelement 80 und Mittenanzapfung 76. Dies bedeutet, daß der Strom der Batterie 10 mit einer solchen Polarität zugeführt wird, bei welcher die

509821/0294

Klemme 22 gegenüber der Klemme 24 positiv ist. Dieser Strom stammt von der elektrischen Energie her, die während des Intervalls (t, - t¹.) im Energiespeicherkreis 90 gespeichert worden ist. Es ist zu beachten, daß während des Intervalls (t'₈ - t») sowie während des Intervalls (f. - t^) der der Batterie 10 zugeführte Gleichstrom gleichgerichtet wird, so daß er eine Polarität besitzt, bei welcher die Klemme 22 gegenüber der Klemme 24 positiv ist. Diese Gleichrichtung wird effektiv durch die Dioden 46 und 48 "bewirkt. -

Bei der Wechselstrom^leichstrom-Umformung, wie vorstehend in Verbindung mit Fig. 5 beschrieben, wird die im Speicherkreis 90 gespeicherte elektrische Energie in der Pausenperiode und speziell während des Intervalls (t, - t¹,) sowie während des Intervalls (t_? - t'g) während der Leitzustandsperiode θ sowie während der Intervalle (f. - te)" und (t'g - t„) in der Pausenperiode cy zur Seite der Gleichstromlast geliefert.

Aus einem Vergleich von Pig. 6 mit Fig. 5(a) ist ersiehtlieh, daß der während der LeTuperlode θ über den Energiespeicherkreis 90 fließende Strom zwischen dem Zustand von Fig. 5» welcher einen über das Impedanzelement 80 fließenden Gleichstrom von 10 £ zeigt und Fig. 6 sehr verschieden ist, welcher das gleiche Impedanzelement zeigt, das von einem Gleichstrom mit einer Größe von praktisch Null durchflossen wird. In Fig. 6 sind die Zeitpunkte t^, t,, t¹,, t^» t₇ und t'g die gleichen wie die entsprechenden Zeitpunkte gemäß Fig. 5.

Gemäß Fig. 6 wird die Polarität des Stroms I¹™ zum Zeit-

zustands -K

punkt t._n in der Leitperiode θ zwischen den Zeitpunkten t.. 10 7^e zustands '

und t, sowie zum Zeitpunkt t^ in der Leiyperiode θ zwischen den Zeitpunkten t,- und t„ umgekehrt. Während eines Inter-

809821 /029/»

vails (t.j₀ - t~) wird die den Gleichstromklemmen 22 und zugeführte elektrische Energie, die von der im Speicherkreis 90 gespeicherten Energie herrührt, über den zu diesem Zeitpunkt in seinem Durchschaltzustand befindlichen Thyristor 42 zur Seite der Wechselstromquelle zurückgekoppelt. Dies trifft für den Fall eines Intervalls Ct₁₁ - ty) zu, unter der Voraussetzung, daß die Rückkopplung über den zu diesem Zeitpunkt durchgeschalteten Thyristor 44 erfolgt. Die vorstehend beschriebene Rückkopplung erfolgt zum Teil auch dann, wenn die im Speicherkreis 90 gespeicherte Energie während der Intervalle (t, - t·,) und (ty - t'₈) in der Pausenperiode höher ist als die für die über die Gleichstromklemmen 22 und 24 geschaltete Gleichstromlast erforderliche Energie, d.h. wenn die Gleichstromlast niedrig ist. Bei der Anordnung gemäß Pig. 3 kann zwangsläufig ein Strompfad gebildet werden, über den die Rückkopplung erfolgt. Unter Ausnutzung der Rückkopplung der elektrischen Energie kann somit die Schwankung der Spannung an den Klemmen 22 und 24 verringert werden, während der Wirkungsgrad der Wechselstrom:Gleichstrom-Umformung verbessert werden kann.

Durch Änderung der Zwischen- bzw. Pausenperiode <# oder der Intervalle (t, - te) und (t, - t..) kann die Spannung an den Gleichstromklemmen 22 und 24 auf die in Fig. 7 gezeigte Weise variiert werden. In Pig. 7 ist die Spannung an den Gleichstromklemmen (in Volt) auf der Ordinate in Abhängigkeit vom Pausenwinkel (in Grad) entsprechend der Pausenperiode auf der Abszisse aufgetragen, und zwar für einen Energiespeicherkreis 90 mit den gleichen Schaltkreisparametern, wie sie vorher in Verbindung mit Fig. 5 und 6 beschrieben worden, sind. Über die Wechselstromklemmen 102 und 104 ist dabei eine übliche Wechselstromquelle mit 60 Hz und 100 V geschaltet.

S09821/0294

Die Kurve A gilt für den durch öffnen der Gleiehstromklemmen 22 und 24 erreichten Nullzustand der Gleichstromlast, während die Kurve B mit einem die Gleichstromlast durchfliessenden Gleichstrom von 10 2. erzielt wurde. Auf ähnliche Weise gilt die Kurve C für einen die Gleichstromlast durchfließenden Gleichstrom von 20 X. In jedem Fall ist ohne weiteres ersichtlich* daß "bei einer Vergrößerung des Pausenwinkels eine hohe Spannung über die Klemmen 22 und 24 erzeugt wird. Fig. 7 zeigt, daß ein über die Klemmen 22 und 24 anliegender Gleichstrom durch Änderung des Pausenwinkels bzw. der Pausenperiode geregelt werden kann. Dies ist für die Regelung des Gleichstroms wichtig, der bei der Wechselstrom: Gleichstrom-Umformung geliefert wird.

Der Pausenwinkel<f kann wie folgt eingestellt werden: Wenn der Pausenwinkel sf verkleinert werden soll, kann der Anstiegszeitpunkt t^ der Thyristoren 52 und 54 innerhalb der Pausenperiode <? verzögert werden. Bezüglich des Intervalls (t~ - tO veranschaulicht z.B. Fig. 5(d), daß das Ansteuersignal S54 für den Thyristor 54 am Zeitpunkt t^ ansteigt, welcher praktisch mit dem Zeitpunkt t, zusammen-

zustands 5

fällt, an welchem die Leiijfperiode θ beendet ist. Dieser Anstiegszeitpunkt t^ kann zur Verkürzung der Pausenperiode hinter dem Zeitpunkt t, nacheilen. In diesem zuletzt genannten lall wird die elektrische Energie vom Energiespeicherkreis 90 weiterhin über die Diode 46 an die Klemmen 22 und 24 angelegt, bis das Ansteuersignal für den Thyristor 54 auf seinen hohen Wert bzw. Pegel ansteigt. Gleichzeitig damit wird der Thyristor 54 durchgeschaltet, so daß er die Primärwicklungen 72 und 73 und mithin die Sekundärwicklung 82 praktisch kurzschließt. Dies führt zu einer Verlängerung

zustands
der Leitperiode θ bei gleichzeitiger Verkürzung der Pausen Periode cp . Dies gilt für das im Intervall (t™ - t'₈) erzeugte Ansteuersignal S52 für den Thyristor 52.

509821 /0294

Eine Vergrößerung des Pausenwinkels if kann dagegen erreicht werden, indem die Zeitpunkte t_o oder t und t den Zeit-

c. ag

punkten t.. und t,- (vergl·. Fig. 5) angenähert werden, um dadurch den Anstiegszeitpunkt t des Ansteuersignals für jeden Thyristor 54 und 52 vorzuverlegen. Die Leiypenode θ wird durch Vorverschiebung des Zeitpunkts tg oder t verkürzt, während der Pausenwinkel <p durch Vorverlegung des Zeitpunkts t^ größer wird.

Pig. 8 veranschaulicht eine Spannung Vgp über die Transformator-Sekundärwicklung 82 und einen entsprechenden Strom I¹J₁, wobei die Ansteuersignale S42 und S44 für die Thyristoren 42 und 44 stets auf ihrem Null-Pegel gehalten werden und die Ansteuersignale S 52 und S54 für die Thyristoren 52 und 54 den vorher in Verbindung mit Fig. 5 beschriebenen Signalen entsprechen. Spannung und Strom wurden in der Weise gemessen, daß die Klemmen 22 und 24 der Einfachheit halber anstatt an die Batterie 10 an einen Kondensator mit hoher Kapazität angeschlossen wurden. Gemäß Fig. 5 endet die leitperiode an jedem der Zeitpunkte t, und t~ und die Polarität des Stroms wird zu den Zeitpunkten X\ und t'₈ umgekehrt. Es ist zu beachten, daß in Fig. 8 keine Zeitpunkte entsprechend den Zeitpunkten t.., tp> t, und tg gemäß Fig. 5 dargestellt sind, da die Thyristoren 42 und 44 stete in ihrem Sperrzustand verbleiben. Stattdessen sind in Fig. 8 zwiwchen den Zeitpunkten t^f _Q und t, sowie zwischen den Zeitpunkten t, und t~ neue Zeitpunkte t₁₂ und t.j, dargestellt, an denen der Strom 1¹^ seinen Nullpunkt erreicht.

Da die Thyristoren 42 und 44 - wie erwähnt - stets in ihrem Sperrzustand verbleiben, wird die gelieferte Energie nicht zur Seite der Wechselstromquelle zurückgeführt, wie dies vorher in Verbindung mit den Intervallen (t^Q - t~) und Ct₁₁ - t„) gemäß Fig. 5 beschrieben worden ist. Infolgedes-

509821/0294

sen kann an den Klemmen 22 und 24 eine Gleichspannung geliefert werden, deren Größe im Vergleich zu Pig. 6 um den Paktor 1,7 höher ist. Die in Pig. 8 veranschaulichte Arbeitsweise eignet sich effektiv zur Vergrößerung eines Bereichs, in welchem die Gleichspannung'steuerbar bzw. regelbar ist.

Aus Pig. 8 geht hervor, daß zu den Zeitpunkten t.p und t..~ der über die Klemmen 22 und 24- geschaltete Kondensator aufgeladen ist, so daß eine Gegenvorspannung über die Dioden 46 und 48 angelegt wird, während zu diesen Zeitpunkten keiner der Thyristoren 52 und 54 durchschaltet. Dies hat zur Polge, daß an der Primärwicklungsseite des Transformators 70 kein geschlossener Schaltkreis gebildet wird. Infolgedessen wird an der Sekundärwicklungsseite des Transformators 70 die intakte bzw. vollständige, einer lastfreien Spannung entsprechende Spannung erzeugt, was zur der Erscheinung führt, daß die Spannung Vq£ zu den Zeitpunkten t..~ und t.pj, an denen der Strom I¹- auf beschriebene Weise seinen Nullpunkt erreicht, plötzlich verringert wird.

Bei der Wechselstrom:Gleichstrom-Umformung stellt die Detektorleitung HO eine über die Gleichstromklemmen 22 und 24 anliegende Spannung zur Steuerung des Schaltkreises 130 fest, wobei die festgestellte Spannung beispielsweise auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird. Ebenso stellt die Detektorleitung 144 einen in die über die Klemmen 22 und 24 geschaltete Last fließenden Strom zur Steuerung des Schaltkreises bzw. Steuerkreises 130 fest, wobei dieser gemessene Strom beispielsweise auf eine vorbestimmte Größe eingestellt wird.

Bei gemeinsamer Betrachtung der Wechselstrom:Gleichstrom- und GleichstromzWeehselstrom-Umformung ist ersichtlich, daß

ιύλ "% O "f"* Q T"l (^ C!

letztere um die LeiiJperiode θ herum durchgeführt wird, wäh-

509821/0 294

rend erstere um die Pausenperiode g> herum erfolgt. Dies bedeutet, daß bei der Gleichstrom:Wechselstrom-Umformung die Steuerung erfolgt, indem der Leitperiode θ Vorrang eingeräumt wird, während bei der Wechselstrom:Gleichstrom-Umformung die Steuerung oder Regelung mit Vorrang der Pausenperiode ep erfolgt.

In Fig. 9 ist eine abgewandelte Ausführungsform der Stromumformerschaltung gemäß der Erfindung dargestellt. Die dargestellte Anordnung entspricht praktisch derjenigen gemäß Fig. 3, mit Ausnahme der Schaltkreiskonfiguration an der Primärwicklungsseite des Transformators. Genauer gesagt ist eine - ebenfalls als Batterie dargestellte Gleichstromlast 10 durch zwei Gleichstromklemmen 22 und über eine Parallelkombination aus zwei Schaltkreisen 140 und 150 geschaltet. Der Schaltkreis 140 weist zwei Schaltelemente 142 und 144, im dargestellten Fall in Reihe miteinander geschaltete Thyristoren, sowie eine Halbleiterdiode 146 oder 148 auf, die antiparallel über jeden Thyristor 142 oder 144 geschaltet ist. Der Strom von der Batterie 10 kann durch die Klemme 22 in die Reihenschaltung aus den Thyristoren 142 und 144 fließen, wenn diese durchgeschaltet sind. Auf ähnliche Weise weist der Schaltkreis 150 zwei als Thyristoren dargestellte Schaltelemente 152 und 154 sowie zwei Halbleiterdioden 156 und 158 auf, die auf die gleiche Weise wie die entsprechenden Bauteile des Schaltkreises 140 geschaltet sind.

Der Transformator 70 weist eine einzige Primärwicklung 72' auf, die über die Verzweigung 136 der Bauteile 142, 144, 146 und 148 sowie über die Verzweigung 138 der Bauteile 152, 154, 156 und 158 geschaltet ist.

In jeder anderen Hinsicht entspricht diese Schaltkreisanordnung derjenigen gemäß Fig. 3, weshalb den Teilen von

509821/0294

Pig. 3 entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugsziffern "bezeichnet sind. Aus Pig. 9 ist ersichtlich, daß die Kommutator- und Steuerkreise, wie die Schaltkreise 60 und 130 gemäß Pig. 3, für die Thyristoren 142, 144, 152 und 154 lediglich aus Gründen der besseren Darstellung weggelassen sind.

Im folgenden ist die Arbeitsweise der abgewandelten Schaltungsanordnung anhand von Pig. 1G erläutert. Die dicken, ausgezogenen Linien in Pig. 10(a) bis 10(d) bezeichnen ein Zeitintervall, während welchem der entsprechende Thyristor tatsächlich oder möglicherweise in seinem Durchschaltzustand ist, wenn sein Steuersignal einen hohen Wert besitzt. In Pig. 10(e) bedeutet die ausgezogene Linie die Spannung Vop» die an der Sekundärwicklung 82 des Transformators 70 erzeugt wird und die gestrichelte Linie einen Strom Ι™, welcher bei der Wechselstrom:Gleichstrom-Umformung durch den Pilterkreis 90 fließt. Die Zeitpunkte t.,, ■fc«, t%, te» t» und t'g entsprechen dabei den auf gleicher Weise bezeichneten Zeitpunkten gemäß Pig. 5*

Aus den Figuren 10 (a) bis 10(d) geht hervor, daß die Thyristoren 142 und 144 ebenso wie die Thyristoren 152 und 154 jeweils abwechselnd aktiviert werden. Dies bedeutet, daß jeder Thyristor 142 und 152 im Durchschaltzustand ist, während sich der zugeordnete Thyristor 144 bzw. 154 im Schwerzustand befindet und umgekehrt. Außerdem eilt der Thyristor 154 bezüglich seiner Betätigung hinter dem Thyristor 142 um die Periode <$ nach, während der Betätigungszeitpunkt des Thyristors 152 um die Periode <y hinter dem Thyristor 142 nacheilt.

Im folgenden sei angenommen, daß die Schaltungsanordnung gemäß Pig. 9 im Betriebszustand für die Gleichstrom:Wechsel-

509821/029/»

- 52 -

. 245292Ί

strom-Umformung "befindet. Während eines Intervalls (t, - t,) befinden sich, die Thyristoren 142 und 154 im Durchschaltzustand, so daß ein Strom von der Wechselstromquelle 10 über einen Strompfad aus der Klemme 11, dem Thyristor 142, der Verzweigung 136, die Primärwicklung 72', der Verzweigung 138, dem Thyristor 154 und der Klemme 24 fließen kann. Polglich wird eine Spannung mit einer vorbestimmten Polarität über die Primärwicklung 72' angelegt. Während des nachfolgenden Intervalls (t, - t,-) sind die Thyristoren 144 und 154 möglicherweise durchgeschaltet, doch wird die Spannung von der Gleichstromquelle 10 nicht über die Primärwicklung 72' angelegt. Unter diesen Bedingungen wird eine erste geschlossene Stromschleife I¹ gebildet, die von der Verzweigung 136 über den Thyristor 144, die Diode 158, die Verzweigung 138, die Primärwicklung 72' und von dieser zurück zur Verzweigung 136 verläuft. Wahlweise kann eine zweite geschlossene Stromschleife II' gebildet werden, die von der Verzweigung 138 über den Thyristor 154, die Diode· 148, die Verzweigung 136 und die Primärwicklung 72' und von dieser zurück zur Verzweigung 138 verläuft. Infolgedessen kann ein einer reaktiven Komponente eines über den Filterkreis 90 fließenden Stroms I- entsprechender Primärstrom fließen.

Während des Intervalls (t,- - t~) befinden sich die Thyristoren 144 und 152 in Durchschaltzustand, und die Gleichstromquelle 10 legt über einen Strompfad aus der Klemme 22, dem Thyristor 152, der Verzweigung 138, der Primärwicklung 72', der Verzweigung 136, dem Thyristor 144 und der Klemme 24 über die Primärwicklung 72' eine Spannung mit gegenüber der vorher beschriebenen Spannung umgekehrter Polarität an.

Während des nächsten Intervalls (t„ - t^) sind die Thyristoren 142 und 152 möglicherweise durchgeschaltet, doch wird

509821 /029A

die Spannung von der Gleichstromquelle 10 nicht über die Primärwicklung 72' angelegt. Unter diesen Bedingungen wird eine dritte geschlossene Stromschleife III gebildet, die von der Verzweigung 136 über die Primärwicklung 72', die Verzweigung 138, die. Diode 156, den Thyristor 142 und von diesem zurück zur Verzweigung 136 verläuft. Wahlweise kann eine vierte geschlossene Stromschleife IV gebildet werden, die von der Verzweigung 138 über die Primärwicklung 72·, die Verzweigung 136, die Diode 146, den Thyristor 152 und von diesem zurück zur Verzweigung 138 verläuft. Hierdurch wird ein Primärstromfluß ermöglicht, welcher einer reaktiven Komponente des Stroms I¹- entspricht.

Wenn die Schaltungsanordnung gemäß Eig. 9 in der Betriebsweise der Wechselstrom:Gleichstrom-Umformung arbeitet, muß ein Primärstrom mit einer Polarität, bei welcher die Verzweigung 138 gegenüber der Verzweigung 136 positiv ist, entsprechend einem Sekundärstrom Ij, in einem Intervall (t₇ - t₁) und bis zum Zeitpunkt t'_ft fließen, an welchem die Polarität des Stroms I_ umgekehrt wird. Dieser Strom fließt dabei über die vorher beschriebene, dritte geschlossene Stromschleife III. Während dieser Zeitspanne bewirkt die dritte Stromschleife III daher praktisch ein Kurzschließen der Primärwicklung 72* und somit auch der Sekundärwicklung 82. Infolgedessen wird, ebenso wie während des Intervalls (t_? - t_Q) gemäß Pig. 5, eine elektrische Energie im Energiespeicherkreis 90 gespeichert. Die gespeicherte Energie des Speicherkreises 90 wird mit einer Polarität, bei welcher die Verzweigung 136 gegenüber der Verzweigung 138 positiv ist, während eines Intervalls , (t^ - t, über einen Strompfad aus der Verzweigung 136, der Diode 146, der Klemme 22, der Batterie 10, der Klemme 24, der Diode 158, der Verzweigung 138 und der Primärwicklung 72· geliefert. Dies hat eine Speisung der Batterie 10 zur Folge.

0 9 8 2 1 / 0 2 9 L original inspected

245292Ί

Während eines Intervalls (t, -^₅) ^muß außerdem ein Primärstrom mit einer Polarität, bei welcher die Verzweigung gegenüber der Verzweigung 138 positiv ist, entsprechend dem Sekundärstrom Ij₁ und bis zum Zeitpunkt t¹, fließen, an welchem die Polarität des Stroms I^ umgekehrt wird. Dieser Primärstrom fließt dabei über die vorher beschriebene, erste geschlossene Stromechleife I¹. Während dee Intervalls (t, - t%) bewirkt die erste Stromechleife I¹ praktisch ein Kurzschließen der Primärwicklung 72* und somit der Sekundärwicklung 82 des Transformators 70. Ebenso wie während der Zeitspanne (t, - t^f .) gemäß Fig. 5 wird daher im Energiespeicherkreis 90 eine elektrische Energie gespeichert. Während eines Intervalls (t,- - t~) wird diese gespeicherte Energie vom Speicherkreis 90 mit einer Polarität, bei welcher die Verzweigung 138 gegenüber der Verzweigung 136 positivist, über einen Strompfad geliefert, welcher die Verzweigung 138, die Diode 156, die Klemme 22, die Batterie 10, die Klemme 24, die Diode 148, die Verzweigung 136 und die Primärwicklung 72' umfaßt. Dies bewirkt eine Speisung der Batterie 1O₀

Bei der ersten Betriebsart gemäß Pig. 10 kann, ebenso wie bei der Betriebsart gemäß Fig. 5 auch während des Intervalls (t^f, - te) oder (t'o - t.) keine elektrische Energie zur Batterie 10 geliefert werden. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der Thyristor 154 gemäß Fig. 10 während des Intervalls (t¹, - t^) durchgeschaltet ist und die zweite geschlossene Stromschleife 11* fließt, während der Thyristor 152 während des Intervalls (t'g - t..) ebenfalls durchgeschaltet ist und die vierte geschlossene Stromschleife IV schließt.

Durch Betätigung der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 9 in der zweiten Betriebsart gemäß Fig. 11 ist es jedoch möglich, auch während dieser Intervalle bzw. Zeitspannen die Batterie

509821/0294

mit elektrischer Energie zu beschicken. Aus einem Vergleich von Fig. 11 mit Fig. 10 geht hervor, daß die Aktivierung der Thyristoren 152 und 154 gemäß Figo 11 auf die Hälfte ihrer Durchschaltperiode gemäß Fig. 10 besonders modifiziert ist. Genauer gesagt, wird die Durchschaltperiode dieser Thyristoren frühzeitig beendet, so daß die Thyristoren 152 und 154 gleichzeitig mit dem Sperren der Thyristoren 142 bzw. 144 in ihrem Sperrzustand getriggert werden. Durch diese Maßnahme wird das Schließen der zweiten und vierten geschlossenen Stromschleife während der Intervalle (t¹. - t,-) und (t*Q - t«.) verhindert. Die Energie vom Speicherkreis kann daher während dieser Intervalle der Batterie 10 zugeführt werden.

Aus Fig. 11 ist auch ersichtlich, daß die Thyristoren 142 und 144 eine mögliche Durchschaltperiode besitzen, deren Dauer der Summe aus der Pausenperiode <* und der Leitperiode θ entspricht, während die Thyristoren 152 und 154 eine mögliche Durchschaltperiode besitzen, deren Dauer derjenigen der Leitperiode θ entspricht. Es ist jedoch zu beachten, daß die Thyristoren 142 und 152 auch längere mögliche Durchschaltperioden und die Thyristoren 144 und 154 kürzere mögliche Durchschaltperioden besitzen können und umgekehrt.

Obgleich in Fig. 9 kein Kommutatorkreis für die Thyristoren 142, 144, 152 und 154 dargestellt ist, sind verschiedene Arten von Kommutatorkreisen bekannt. In den Fig. 12 und 13» in denen den Teilen von Fig. 9 entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, sind beispielhaft zwei verschiedene Ausführungsformen von Kommutatorkreisen dargestellt.

Gemäß Fig. 12 weist eine Kommutatordrossel 200 eine Spule bzw. Wicklung mit einer Mittenanzapfung 202 auf, die über die Kathode und die Anode von Thyristoren 142 bzw. 144 ge-

509821/0294

schaltet ist und eine andere Kommutatordrossel 204 weist eine Wicklung mit einer Mittenanzapfung 206 auf, welche über die Kathode und die Anode von Thyristoren 152 bzw. 154 geschaltet ist. Die Mittenanzapfung 202 und 206 sind an die Endklemmen bzw. Endanschlüsse 74 bzw. 78 der Transformator-Primärwicklung 72' angeschlossen.

Über die Gleichstromklemmen 22 und 24 sind außerdem zwei in Reihe geschaltete Kommutatorkondensatoren 208 und 210 sowie zwei weitere in Reihe geschaltete Kommutatorkondensatoren 232 und 214 geschaltet. Die Verzweigung 32' zwischen den Kondensatoren 208 und 210 ist mit der Mittenanzapfung 202 der Drossel 200 verbunden, während die Verzweigung 34* zwischen den Kondensatoren 212 und 214 an die Mittenanzapfung 206 der Drosselwicklung 204 angeschlossen ist. Außerdem ist die Verzweigung zwischen den Dioden 146 und 148 an eine Zwischenanzapfung 76a der Transformator-Primärwicklung 72' und die Verzweigung zwischen den Dioden 156 und 158 an eine weitere Zwischenanzapfung 76b der Primärwicklung 72* angeschlossen.

Gemäß Pig. 13 ist ein allgemein mit 25OA bezeichneter Kommutatorkreis über eine Reihenkombination aus Thyristoren 142 und 144 geschaltet, während ein anderer, allgemein mit 25OB bezeichneter Kommutatorkreis über eine Reihenkombination aus Thyristoren 152 und 154 geschaltet ist. Der Kommutatorkreis 25OA weist eine Kommutatordrossel 252A auf, die mit einem Kommutatorkondensator 254A in Reihe geschaltet ist, welcher seinerseits an die Verzweigung 136 zwischen den Thyristoren 142 und 144 angeschlossen ist. Der Kommutatorkreis weist weiterhin einen zusätzlichen bzw. Hilfsthyristor 256A für Kommutatorzwecke auf, dessen Anode mit der Gleichstromklemme 22 und dessen Kathode mit einer Anode eines weiteren zusätzlichen bzw. Hilfsthyristors 258A für Kommutatorzwecke verbunden ist, an den die Drossel 252A

509821/0294

an einer Verzweigung 28a angeschlossen ist. Die Kathode des HilfBthyristors 258A ist mit der Gleichstromklemme 24 verbunden. Der Kommutatorkreis 25OB entspricht im Aufbau dem Kommutatorkreis 250A, weshalb seine den Teilen des Kommutatorkreises 25OA entsprechenden Bauteile mit den gleichen Bezugsziffern, jedoch mit einem angehängten B anstelle eines angehängten A bezeichnet sind. Beispielsweise bezeichnet die Bezugsziffer 256B einen dem Thyristor 256A entsprechenden Thyristor. Der Thyristor 256B ist mit dem Thyristor 258B über eine Verzweigung 28b zwischen beiden verbunden.

Der Kommutatorkreis gemäß Fig. 12 ist in B₀D.Bedford und R.G.Hoft »Principles of Inverter Circuits", S₀ 190-207, 1974, John Wiley and Sons Inc., New York, N.Y., beschrieben, während der Kommutatorkreis gemäß Pig. 13 im gleichen Buch auf den Seiten 165-183 beschrieben ist. Die von beiden Kommutatorkreisen durchgeführte Kommutation braucht daher nicht näher erläutert zu werden.

Die vorstehend beschriebenen Stromumformerschaltungen lassen sich gemäß 3Fig. 14 in Blockschaltbildform darstellen. In Pig. 14 ist die Stromumformerschaltung durch den strichpunktierten Block 500 dargestellt, der einen an der einen Seite mit einem Block 100 verbundenen Block 510 aufweist, welcher seinerseits einen Energiespeicherkreis entsprechend dem Filterkreis 90 gemäß Fig. 3 und 9 darstellt, während der Block 100 die Wechselstromvorrichtung gemäß Fig. 3 bildet. Der Block 510 ist an seiner anderen Seite mit einem Block 520 verbunden, der seinerseits über einen Block 530 mit einem Block 10 verbunden ist, welcher die Gleichstromlast bzw. Batterie 10 gemäß Fig. 3 darstellt. Der Block stellt einen Schaltkreis zur Bildung der geschlossenen Stromschleifen I und II gemäß Fig. 3 oder der geschlossenen Stromschleifen I», II», III und IV gemäß Fig. 9 dar,

509821/0294

welche von der Gleichstromquelle 10 getrennt bzw. unabhängig oder in dieser nicht enthalten sind.

Der Block 530 enthält ein Schaltelement 532 und eine Halbleiterdiode 534, und er führt die von der Wechselstrom:
Gleichstrom- und der Gleichstrom:Wechselstrom-Umformung
verschiedenen Funktionen durch. Bei der GleichstromWechselstrom-Umformung vermag das Schaltelement 532 effektiv
auf vorher beschriebene Weise die Pausen- und Leitperioden abwechselnd zu liefern, so daß es den Schaltelementen 42
und 44 gemäß Fig. 3 bzw. den Schaltelementen 142, 144, 152 und 154 gemäß Fig. 9 entspricht. Die bei der Wechselstrom: Gleichstrom-Umformung eine Gleichrichtung bewirkende Diode 534 entspricht den Dioden 46 und 48 gemäß Fig. 3 bzw.
den Dioden 146, 148, 156 und 158 gemäß Fig. 9.

Fig. 15 veranschaulicht in Blockschaltbildform eine Notbzw. Reservestromquelle bzw. eine nicht-unterbrechbare
Stromquelle mit Merkmalen nach der Erfindung. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der dem Block 500 gemäß Fig.14 entsprechende Block 500 zwischen eine als Batterie dargestellte Gleichstromquelle 10 und eine Wechselstromlast 104 geschaltet, die über einen Schalter 110 mit einer üblichen Wechselstromquelle 106 bzw. einem Wechselstromnetz verbunden ist. Wenn die Wechselstromquelle 106 in Ordnung ist,
ist der Schalter 110 geschlossen, so daß er, wie durch die gestrichelten Pfeile in Fig. 15 dargestellt, einen Wechselstrom von der Wechselstromquelle 106 zur Wechselstromlast
108 liefert. Gleichzeitig bewirkt die Stromumformerschaltung 500 eine Wechselstrom:Gleichstrom-Umformung zum Aufladen der Batterie 10, wie dies ebenfalls durch den gestrichelten Pfeil in Fig. 15 dargestellt ist. Beim Auftreten einer Störung in der Wechselstromquelle 106 kann der
Schalter 110 geöffnet werden. Durch dieses öffnen des Schal-

509821/0294

ters 110 wird die Schaltung 500 von der Wechselstrom:Gleichstromauf die GleichstromiWechselstrom-Umformbetriefcsart umgeschaltet. Infolgedessen wird, wie durch die ausgezogenen Pfeile in Pig. 15 angedeutet, ein Wechselstrom zur Wechselstromlast 108 geschickt. Während dieses Umsehaltens zwischen den verschiedenen Betriebsarten kann die Wechselstromlast ersichtlicherweise ohne Unterbrechung weiter mit Wechselstrom beschickt werden.

Die Anordnung gemäß Pig. 15 kennzeichnet sich durch die Verwendung einer einzigen Stromumformerschaltung 500, mit dem Ergebnis, daß die gesamte Vorrichtung im Vergleich zu den bekannten Vorrichtungen, wie sie beispielsweise in den Pig. 1 und 2 dargestellt sind, mit höchstens halbem Kostenaufwand hergestellt werden kann. Außerdem kann bei der Schaltung 500 das Umschalten von der Gleichstrom:Wechselstromauf die Wechselstrom:Gleichstrom-Umformung und umgekehrt erfolgen, ohne daß spezielle Änderungen der Schaltkreiskonfiguration erforderlich wären. Hierdurch wird die Bedienung der Vorrichtung erleichtert, während außerdem Stromausfälle während der Übergänge zwischen den einzelnen Betriebsarten effektiv ausgeschaltet werden können.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß die Stromumformerschaltung, welche eine Gleichstrom:Wechselstrom-Umformung durchzuführen vermag, erfindungsgemäß für die Wechselstrom:Gleichstrom-Umformung eingesetzt werden kann, ohne daß Änderungen der elektrischen Verbindungen bzw. Schaltungen dieser Schaltungsanordnung vorgenommen zu werden brauchen. Mit der Erfindung wird somit eine kombinierte Wechselstrom:Gleichstrom- und Gleichstrom:Wechselstrom-Umformvorrichtung geschaffen. Der Wirkungsgrad bei der Umformung eines Wechselstroms in einen Gleichstrom kann dadurch erhöht werden, daß während einer bestimmten Zeitspanne elektrische Energie gespeichert und während der nächsten Zeit-

509821/0294

spanne freigesetzt wird. Außerdem kann die freigesetzte Energie ohne weiteres durch Steuerung eines Intervalls der Speicherung der elektrischen Energie gesteuert bzw. geregelt werden. Da die erfindungsgemäße Umformerschaltung selektiv als Umformer und als Wechselrichter eingesetzt werden kann, wie es vorher beschrieben wurde, lassen sich mit ihr kostensparende, nicht-unterbrechbare und Not- bzw. Reservestromvorrichtungen schaffen.

Obgleich die Erfindung vorstehend in Verbindung mit einigen bevorzugten Ausführungsformen dargestellt und beschrieben ist, sind dem Fachmann selbstverständlich zahlreiche Änderungen und Abwandlungen möglich, ohne daß vom Rahmen und Grundgedanken der Erfindung abgewichen wird.

Zusammenfassend wird mit der Erfindung somit eine kombinierte Umformer- und Wechselrichterschaltung geschaffen, bei welcher die Primärwicklung eines Transformators über zwei parallele Schaltthyristoren mit? entsprechenden Dioden an eine Wechselstromquelle angeschlossen und eine Sekundärwicklung des Transformators über einen Filter an zwei Wechselstromquellen angeschlossen ist. Zwei Reihen Thyristoren mit Dioden sind über die Primärwicklung geschaltet, so daß sie geschlossene Stromschleifen bilden können. Bei der GleichstromrWechselstrom^-Umformung unterbrechen die Schaltthyristoren intermittierend einen Gleichstrom zur Erzeugung eines über die geschlossene Schleife fließenden Wechselstroms mit einer reaktiven Komponente. Bei der Wechselstrom:Gleichstrom-Umformung bewirkt die geschlossene Stromschleife die Speicherung eines elektrischen Stroms im Filter, während die über die Schaltthyristoren geschalteten Dioden den gespeicherten Strom zum Aufladen der Gleichstromquelle gleichrichten.

08821 /0294

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Stromumfomervorrichtung, gekennzeichnet durch zwei Klemmen- oder Anschluß einrichtungen, eine Stromumformerschaltung mit einem ersten, an die erste Anschlußeinrichtung angeschlossenen Schaltkreis zur Ermöglichung der Speicherung einer elektrischen Energie und einem zweiten Schaltkreis mit einem Schaltelement zur periodischen Wiederholung der Ein- und Aus- bzw. Durchschalt- und Sperrbetätigungen, wobei der zweite Schaltkreis zur Ermöglichung der Bildung einer geschlossenen Stromschleife an die zweite Klemmen- oder Anschlußeinrichtung angeschlossen ist, durch eine Einrichtung zur Anlegung eines Wechselstroms an die erste Anschlußeinrichtung und eine Einrichtung zum Anlegen eines Gleichstroms an die zweite Anschlußeinrichtung, wobei die Umformerschaltung auf die Anlegung des Wechselstroms an die erste Anschlußeinrichtung anspricht, um eine erste Zeitspanne, während welcher der zweite Schaltkreis die geschlossene Stromschleife zur Speicherung der elektrischen Energie im ersten Schaltkreis bildet, und eine zweite Zeitspanne sich einander abwechselnd wiederholen zu lassen, während welcher die geschlossene Stromschleife unterbrochen ist und an der zweiten Anschlußeinrichtung eine Gleichspannung entsprechend der im ersten Schaltkreis gespeicherten elektrischen Energie erzeugt wird, und wobei die Umformer·»· schaltung auf die Anlegung des Gleichstroms an die

5 09821/0294

zweite Anschlußeinrichtung anspricht, um auf der Grundlage der Durchsehalt- und Sperrbetätigungen des Schaltelements eine Wechselspannung an der ersten Anschlußeinrichtung zu erzeugen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß an die erste Anschlußeinrichtung eine Wechselstromlast angeschlossen ist, und daß eine Schalteinrichtung zur Verbindung der ersten Anschlußeinrichtung mit einer Wechselstromquelle und eine über die zweite Anschlußeinrichtung geschaltete Batterie vorgesehen sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Halbleiterdiode parallel zu dem im zweiten Schaltkreis vorgesehenen Schaltelement geschaltet ist, wobei die Diode bei an die erste Anschlußeinrichtung angelegtem Wechselstrom die im ersten Schaltkreis gespeicherte elektrische Energie gleichrichtet und während der zweiten Zeitspanne die an der zweiten Anschlußeinrichtung anliegende Gleichspannung erzeugt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Stromumformerschaltung einen Transformator mit einer ersten Wicklung und einer zweiten Wicklung aufweist, die induktiv aneinander angekoppelt sind, und daß der erste Schaltkreis die erste Wicklung und der zweite Schaltkreis die zweite Wicklung enthält.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Schaltkreis eine mit der ersten Wicklung in Reihe geschaltete Filtereinrichtung aufweist, welche während der ersten Zeitspanne

509821/029A

die elektrische Energie zu speichern vermag, wenn an die erste Anschlußeinrichtung der Wechselstrom angelegt ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Schaltkreis einen ersten Umschaltkreis, der zwischen die zweite Wicklung und die zweite Anschlußeinrichtung geschaltet ist, sowie einen zweiten Umschaltkreis aufweist, welcher über die zweite Wicklung geschaltet ist und die geschlossene Stromschleife zu bilden vermag.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Umschaltkreis ein zwischen das eine Ende der zweiten Wicklung und die zweite Anschlußeinrichtung eingeschaltetes erstes Schaltelement sowie ein zwischen das andere Ende der zweiten Wicklung und die zweite Anschlußeinrichtung eingeschaltetes zweites Schaltelement aufweist und daß der zweite Umschaltkreis ein drittes Schaltelement und ein viertes Schaltelement aufweist, die in Reihenschaltung über die zweite Wicklung geschaltet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der vier Schaltelemente einen in Antiparallelschaltung ilber eine Halbleiterdiode geschalteten Thyristor aufweist und daß das erste und das zweite Schaltelement so zusammengeschaltet sind, daß die zugeordneten Thyristoren in die gleiche Durchlaßrichtung geschaltet sind wie die zweite Anschlußeinrichtung, während das dritte und das vierte Schaltelement so miteinander verbunden sind, daß die zugeordneten Thyristoren in Durchlaßrichtung entgegengesetzt zueinander geschaltet sind.

509821 /0294
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß ein Kommutatorkreis zwischen die Verzweigung zwischen dem dritten und dem vierten Schaltelement und der zweiten Anschlußeinrichtung geschaltet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Schaltkreis einen zwischen das eine Ende der zweiten Transformator-Wicklung und die zweite Anschlußeinrichtung eingeschalteten ümschaltkreis sowie einen zwischen das andere Ende der zweiten Transformatorwicklung und die zweite Anschlußeinrichtung eingeschalteten zweiten Umschaltkreis aufweist, wobei eine geschlossene Stromschleife gebildet wird; welche die beiden Umschaltkreise überbrückt und die zweite Wicklung einschließt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Umschaltkreis ein zwischen das eine Ende der zweiten Transformator-Wicklung und die eine Klemme der zweiten Anschlußeinrichtung eingeschaltetes erstes Schaltelement sowie ein zwischen das eine Ende der zweiten Transformatorwicklung und die andere Klemme der Anschlußeinrichtung eingeschaltetes zweites Schaltelement aufweist, während der zweite Umschaltkreis ein zwischen das andere Ende der zweiten Transformator-Wicklung und die eine Klemme der Anschlußeinrichtung eingeschaltetes drittes Schaltelement sowie ein zwischen das andere Ende der zweiten Transformator-Wicklung und die andere Klemme der zweiten Anschlußeinrichtung eingeschaltetes viertes Schaltelement aufweist, und daß die Anordnung so getroffen ist, daß bei einer an der zweiten Anschlußeinrichtung anliegenden Gleichspannung das erste und das dritte Schaltelement in ihren Ein- bzw. Durchschalt-

509821 /0294

zustand versetzt sind, so daß ein Strom vom einen zum anderen Ende der zweiten Wicklung fließt, und das zweite und vierte Schaltelement in ihren Ein - oder Durchschaltzustand versetzt sind, so daß ein Strom vom anderen Ende zum erstgenannten Ende der zweiten Wicklung fließt. ■ .
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Schaltelemente jeweils einen in Antiparallelschaltung iiber eine Halbleiterdiode geschalteten Thyristor aufweisen.

509821 /029