DE2537299A1

DE2537299A1 - Wechselrichter

Info

Publication number: DE2537299A1
Application number: DE19752537299
Authority: DE
Inventors: Homme Edmond Cord
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1974-08-22
Filing date: 1975-08-21
Publication date: 1976-03-04
Also published as: ES440376A2; SE7509314L; SE405301B; US4028610A; FR2282742A2; JPS5145733A; FR2282742B2; BE832542R; BR7505339A; DE2537299C2; IT1049282B; GB1521702A

Description

8CC0 Kochen 60. 20. August 1975

ürnsbei gent, uije 19 OCOTOQQ

Dipl.-Ing, Egon Prinz Dr. Gertrud Hauser Dipl.-Ing. Gottfried Leiser

Patentanwälte

Telegramme: Labyrinth München

Telefon: 83 15 10 Postscheckkonto: München 117078

THOMSON - CSF

173 > Bd. Hausmann

75008 Paris/ Frankreich

Unser Zeichen: T 1837

Wechselrichter

Zusatz zu Patent (Patentanmeldung P 23 19 987.3-32)

Die Erfindung bezieht sich auf Wechselrichter und stellt einen Zusatz zu der vorgenannten Hauptpatentanmeldung dar, welche sich auf Wechselrichter bezieht, die einen Wechselstrom hoher Frequenz liefern. Sie betrifft insbesondere weitere Ausgestaltungen des Wechselrichters, die seine Betriebssicherheit beträchtlich erhöhen,.

In dem Hauptpatent (Patentanmeldung P 23 19 987.3-32)

sind Wechselrichter beschrieben, welche Wechselströme hoher

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Frequenz liefern und m Paare von steuerbaren Gleichrichterelementen enthalten, wobei m eine ganze Zahl ist, die zumindest gleich Eins ist. Der leitende oder gesperrte Zustand dieser in Reihe geschalteten Gleichrichterelemente wird periodisch durch einenAuslösesignalgenerator gesteuert, so dass jedes von ihnen seinerseits einen Umwandlungsschwingkreis erregt, der einen Belastungskreis mit Wechselstrom speist. Bei diesen Wechselrichtern ist das Zeitintervall T zwischen zwei auf-

einanderfolgenden Auslösungen ein und desselben Gleichrichterelements gleich einem ganzzahligen Vielfachen pT der Periode T des erzeugten Wechselsignals gewählt. Die Zahl ρ ist grosser als die Anzahl m von Gleichrichterelementenpaaren gewählt, so dass die Periode T, die dem Zeitintervall zwischen der Auslösung eines Gleichrichterelements und der Auslösung des nächsten Gleichrichterelements entspricht, immer grosser als die Halbperiode τ/2 ist,so dass auf diese Weise die Sperrzeit T. dieser Gleichrichterelemente in dem Wech-

T
selrichter um ρ ^— T-. erhöht und in korrelativer Weise die Frequenz des in dem Wechselrichter erzeugten Ausgangssignals vergrössert werden kann, wobei T- die Dauer des leitenden Zustandes der steuerbaren Gleichrichterelemente ist.

In gewissen Anwendungsfällen dieser Gleichrichter, beispielsweise in der Unterwasserakustik, kann die mit dem Ausgangswechselstrom gespeiste Lastimpedanz grosse Änderungen erfahren und im Grenzfall einen Wert Null, beispielsweise aufgrund eines zufälligen Kurzschlusses,oder einen unendlich grossen Wert annehmen, beispielsweise infolge einer Unterbrechung. Solche Änderungen wirken auf den Betrieb der Wechselrichteranordnung zurück, da die ausgesandte Leistung zu dem Wert dieser Lastimpedanz umgekehrt proportional ist. Diese Änderungen können somit einen fehlerhaften Betrieb des Wechselrichters verursachen und die Zerstörung der steuerbaren

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Gleichrichterelemente bewirken. Zur Beseitigung dieser Nachteile und zur Verbesserung der Betriebssicherheit ist es bekannt, insbesondere aus dem Aufsatz von R. THOMSON, "An Audio-Frequency High-Power Generator Employing Silicon Controlled Rectifiers", erschienen in Proceedings IEE 1962, 109 B, S. 249-258, insbesondere S. 256, Wechselrichtern Hilfsschaltungen zur Leistungsbegrenzung zuzuordnen, welche den automatischen Schutz der verschiedenen Elemente dieser Wechselrichter sicherstellen, sobald der ohmsche Anteil ihrer Lastimpedanz Werte von Null oder unendlich erreicht. Diese Hilfsschaltung ist mit der Stromversorgungsquelle des Wechselrichters in Reihe geschaltet.

Die vorliegende Erfindung bezweckt hauptsächlich, einen Schutz für den Wechselrichter bei Vorhandensein einer Belastung zu schaffen, deren Impedanz Werte erreicht, die für die Sicherheit seines Betriebes gefährlich sind.

Weiter ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Wechselrichter mit erhöhter Betriebssicherheit mit Hilfe, von einfachen Einrichtungen zu schaffen, die mit der Kommutierungsschaltung der steuerbaren Gleichrichterelemente verbunden s ind.

Gemäss der vorliegenden Erfindung ist der Wechselrichter nach Anspruch 1 des Hauptpatents, in welchem Einrichtungen zum Erzeugen eines Wechselsignals hoher Frequenz am Ausgang und zum Schutz des Wechselrichters im Fall eines Kurzschlusses der Belastung vorgesehen sind, hauptsächlich dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl m von Paaren gesteuerter Gleichrichterelemente und Induktivitäten in einer Reihenschaltung gleich 2q gewählt ist, wobei q Gruppen von zumindest 2 Paaren von Gleichrichterelementen darstellt und jede Gruppe

die Gleichrichter- und InduKtivitätselemente eines Paares enthält, welche mit denen des anderen Paares parallel geschaltet sind, und wobei die Gleichrichterelemente in entgegengesetzter Durchlaßrichtung geschaltet sind.

Ein erhöhter Schutz des Wechselrichters wird durch das Vorhandensein einer zusätzlichen Sicherheitsschaltung erreicht.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der im Fall des Abtrennens der Last geschützte Wechselrichter dadurch gekennzeichnet, dass eine Detektorschaltung über eine Induktivität an die Eingangsklemmen der Gleichstromquelle angeschlossen ist, dass dieser Detektor mit dem die Belastung des Wechselrichters speisenden Ausgangskreis über eine Kopplungseinrichtung verknüpft ist, die auf die Frequenz des erzeugten Signals abgestimmt ist und deren Gütefaktor von der Impedanz der Belastung abhängig ist, und dass der Detektor die Energie zu der Gleichstromquelle zurückliefert/ wenn die gleichgerichtete Spannung grosser als die von der Gleichstromquelle "gelieferte Spannung ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ■ ein Gesamtschaltbild des Wechsel

richters, welcher Schutzeinrichtungen nach der Erfindung enthält,

Fig. 2 Zeitdiagramme, welche die Ströme

' und Spannungen an verschiedenen Punkten des Wechselrichters zeigen,

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Fig. 3 ein Gesamtschaltbild, welches eine

abgewandelte Ausführungsform des mit Schutzeinrichtungen nach der Erfindung versehenen Wechselrichters zeigt, und

Fig. 4 Zeitdiagramme der Ströme und Span

nungen, die dem Schaltbild von Fig. 3 entsprechen.

In diesen Figuren sind die Bezugszeichen aus dem Hauptpatent beibehalten worden und weitere sind für neue Schaltungselemente verwendet worden.

In den Fig. 1 und 3, die teilweise den Fig. 1 und 3 des Hauptpatents gleichen, sind die Elemente dargestellt, welche aufgrund der Veränderungen hinzugefügt worden sind, die sich in den Schaltbildern durch die vorliegende Erfindung ergeben. Die Fig. 2 und 4 zeigen Zeitdiagramme, welche die Ströme und Spannungen an verschiedenen Punkten der dargestellten Wechselrichter zeigen.

Diese Änderungen bestehen hauptsächlich darin, dass zu der Reihenschaltungsanordnung aus einem steuerbaren Gleichrichterelement 1 und einer Induktivität 3 eine Reihenschaltungsanordnung aus einem steuerbaren Gleichrichterelement 11 und einer weiteren Induktivität 3 parallel geschaltet wird, und dass zu der Reihenschaltungsanordnung aus einem Gleichrichterelement 2 und einer Induktivität 3 eine zweite Reihenschaltungsanordnung aus einem steuerbaren Gleichrichterelement 12 und einer weiteren Induktivität 3 parallel geschaltet wird, wobei die Durchlassrichtung der Gleichrichterelemente 11 und 12 zu der der Gleichrichterelemente 1 und 2 entgegengesetzt ist. Die Gleichrichterelemente 11 und 12 werden vorteilhafterweise gleich den Gleichrichtern 1 und 2 gewählt und ihre

fi 0 9 H 1 f I / ¹O 1 7 U

Auslösung wird durch die Impulse gesteuert, die von dem Auslösesignalgenerator 8 geliefert werden. Eine solche Schaltung fasst zwei umgekehrt geschaltete Gleichrichterelemente zu einer Gruppe zusammen, wobei diese Gruppe in der Lage ist, in zwei Stromleitungsrichtungen zu arbeiten.

In den Wechselrichtern, die in dem Hauptpatent beschrieben sind, würde, wenn die Belastung 5, welche mit den Ausgangsklemmen des Wechselrichters verbunden ist, beispielsweise kurzgeschlossen wäre, bei jeder neuen Halbperiode die Spannung V_fi an den Klemmen des Kondensators 6 in kumulativer Weise erhöht und die Gefahr herbeigeführt, dass dann die Zerstörung gewisser Bauelemente, insbesondere der Gleichrichterelemente verursacht wird.

In den Wechselrichtern nach der vorliegenden Erfindung ist dieser kumulative Effekt beseitigt, denn wenn in einer ersten Phase der Kondensator 6 durch eines der umgekehrt geschalteten Gleichrichterelemente der Gruppe aufgeladen wird,bei spielsweise durch den Gleichrichter 1, wird er in der nächsten Phase durch das Gleichrichterelement 11 entladen.

Dasselbe gilt für die Gleichrichterelemente 2 und 12.

Wie die Diagramme der Spannung V_fi an den Klemmen des Kondensators 6, des Stroms I in der Belastung 5 und der Spannung V~ an den Klemmen des Gleichrichterelements 2 zeigen, die in den Fig. 2 und 4 dargestellt sind, ist die Wirkungsweise der Wechselrichter nach der vorliegenden Erfindung gleichwohl von der eines herkömmlichen Wechselrichters mit zwei Paaren von steuerbaren Gleichrichterelementen verschieden, denn in einem herkömmlichen Wechselrichter arbeitet jedes Paar unabhängig von den anderen.

f, Π 9 ti 1 ·ί ι / 012

Dasselbe Ergebnis wird mit dem Wechselrichter nach dem Schaltbild von Fig. 3 erzielt, das in Fig. 4 dargestellt ist.

Ausserdem ist eine Fehlererfassungs- und Schutzschaltung zu der ohmschen Belastung 5 (Fig. 1) des Wechselrichters parallel geschaltet. Sie besteht aus einem Resonanzkreis, der eine Induktivität 43 und eine an deren Klemmen angeschlossene Kapazität 46 enthält, auf die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters abgestimmt ist und im normalen Betrieb durch die ohmsche Belastung 5 gedämpft ist und somit eine geringe Resonanzüberhöhung aufweist.

Dieser Resonanzkreis 43, 46 ist induktiv und eng mit einer Induktivität 44 gekoppelt, die mit den gegenüberliegenden Enden einer Diagonale einer Diodengleichrichterbrücke 45 verbunden ist. Die beiden Enden der anderen Diagonale dieser Brücke sind einerseits mit Masse und andererseits mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle 7, die die Gleichspannung E liefert, über eine Strombegrenzungsinduktivität 47 verbunden.

Im normalen Betrieb ist der Resonanzkreis 43, 46 durch die ohmsche Belastung 5 gedämpft. Die Übertragung von Energie zu der Induktivität 44 reicht somit nicht dafür aus, dass die durch die Brücke 45 gleichgerichtete Spannung, die aus positiven Halbbögen besteht und zu der Quelle 7 über die Induktivität 47 zurückgeliefert wird, die Spannung E dieser Quelle überschreitet.

Wenn der Wert der Belastung unendlich gross wird, beispielsweise durch eine Unterbrechung, steigt der Gütefaktor der Induktivität 43 stark an und die durch die Brücke 45 gleichgerichtete Spannung wird weit grosser als die Spannung der

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Quelle 7. Es erfolgt eine Energierückübertragung zu dieser Quelle.

Die Thyristoren des Wechselrichters arbeiten ohne irgendeine Änderung gegenüber dem Normalfall weiter und bewirken durch ihre Kommut'ierungszyklen die Rückübertragung von Energie zu der Gleichstromversorgungsquelle bis zur Beseitigung des Belastungsfehlers.

In einer vereinfachten Ausführungsform der Schutzschaltung besteht die Induktivität 44 aus einer gesonderten Wicklung, die auf dem Ausgangsübertrager 4 des Wechselrichters angebracht ist.

Es kann auch angemerkt werden, dass eine Leuchtanzeige in der Fehlererfassungsschaltung vorgesehen sein kann, die eine Unterbrechung in dem Belastungskreis meldet.

Die Beschreibung befasst sich zwar nur mit dem Fall, in welchem die Anzahl m der Gleichrichterelementenpaaren gleich

2 ist, selbstverständlich wird jedoch ein gleiches Ergebnis für m = 2q erzielt, wobei q eine ganze Zahl darstellt, die grosser oder gleich 1 ist. Ebenso gelten alle in dem Hauptpatent beschriebenen Eigenschaften für die Wechselrichter nach der vorliegenden Erfindung.

Der Wechselrichter nach der vorliegenden Erfindung hat eine verbesserte Ausgangssignalfreguenzleistung und der Schutz ist grosser, da der Wechselrichter im Fall von Lastimpedanzänderungen, die ausserhalb zulässiger Grenzen liegen, geschützt ist. Er ist als Wechselstromquelle verwendbar.

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Claims

— y —

Patentanspruch:

U) Wechselrichter nach Anspruch 1 des Patents

(Patentanmeldung P 23 19 987.3-32), in welchem Einrichtungen vorgesehen sind, um an dem Ausgang ein Wechselsignal hoher Frequenz zu erzeugen und um ihn im Fall eines Kurzschlusses der Belastung zu schützen, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl m von Paaren steuerbarer Gleichrichterelemente (1 . 2) und von Induktivitäten (3) in einer Reihenschaltung gleich 2q gewählt ist, wobei q Gruppen von zumindest zwei Paaren von Gleichrichterelementen darstellt und wobei jede Gruppe die Gleichrichterelemente und Induktivitäten (1, 3; 2, 3) eines Paares enthält, die mit denen des anderen Paares (11, 3 . 12, 3) parallel geschaltet sind, wobei die Gleichrieht er elemente (1, 11 . 2, 12) in entgegengesetzter Dur.chlassrichtung geschaltet sind.
2. Wechselrichter nach Anspruch 1, mit Schutzeinrichtungen, die für den Fall des Abtrennens der Last vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Detektorschaltung (45) über eine Induktivität (47) mit den Eingangsklemmen einer Gleichstromversorgungsquelle (7) verbunden ist, dass die Detektorschaltung mit dem die Belastung (5) des Wechselrichters speisenden Ausgangskreis (42) über eine Kopplungseinrichtung verknüpft ist, welche auf die Frequenz des erzeugten Signals abgestimmt ist und deren Gütefaktor von der Impedanz der Belastung (5) abhängig ist, und dass die Detektorschaltung (45) Energie zu der Quelle (7) zurückliefert, wenn die gleichgerichtete Spannung grosser als die von der Quelle gelieferte Spannung (E) ist.
3,j Wechselrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

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dass die Detektorschaltung eine Diodengleichrichterbrücke (45) ist, bei der die Enden einer Diagonale über eine Induktivität (47) mit den Klemmen der Quelle (7) und die Enden der anderen Diagonale mit der Kopplungseinrichtung verbunden sind.
4. Wechselrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungseinrichtung eine Induktivität (44) enthält, die so geschaltet ist, dass sie die Diodengleichrichterbrücke speist, und die mit einem Resonanzkreis (43, 46) induktiv gekoppelt ist, der auf die Ausgangsfrequenz abgestimmt und zu der Belastung (5) parallel geschaltet ist.
5. Wechselrichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungseinrichtung aus einer Induktivität (44) besteht, die bei der Ausgangsfrequenz in Resonanz gerät und aus einer Wicklung des AusgangsÜbertragers (4) des Wechselrichters gebildet ist.

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