DE2559063A1

DE2559063A1 - Thyristorwandler

Info

Publication number: DE2559063A1
Application number: DE19752559063
Authority: DE
Inventors: Georges Antier; Alain Theodet
Original assignee: TOCCO STEL
Current assignee: TOCCO STEL
Priority date: 1974-12-31
Filing date: 1975-12-30
Publication date: 1976-07-08
Also published as: FR2296959A1

Description

DipMng. Egon Prinz "" %£££ ^ί0' Jt""?" ¹⁹⁷⁵

Dr. Gertrud Hauser Dipl.-!ng. Gottfried Leiser

Patentanwälte

Telegramme: Labyrinth München

Telefon: 851510 Posischeckkonto: München 117078

TOCCO - STEL

173, Bd. Haussmann

PARIS / Prankreich

Unser Zeichen: T 1912

Thyr i s torwandler

Die Erfindung betrifft einen Thyristorwandler, der in der Lage ist, eine Gleichstromenergie in eine Wechselstromenergie mit ausreichend hoher Frequenz umzuwandeln. Wenn solche Wandler beispielsweise in Einrichtungen zur induktiven Erwärmung verwendet werden, liegen die Wechselstromfrequenzen, die sie liefern sollen, im allgemeinen im Ultraschallbereich zwischen 20 und 40 kHz.

Die Wandler, die bislang verwendet werden, um solche Ströme hoher Frequenz zu erzeugen, insbesondere in Einrichtungen zur induktiven Erwärmung, werden im allgemeinen mit Wechselstrom aus dem Netz gespeist, wobei dieser Strom durch eine Diodenbrücke gleichgerichtet und geglättet wird, um dem eigentlichen Wandler die gewünschte Gleichstromenergie zuzuführen. Dieser Wandler

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ORIGINAL SNSPECTm

enthält im allgemeinen einen Schwingkreis, der den Hochfrequenzstrom erzeugt, dessen Frequenz die Eigenfrequenz des Schwingkreises sein wird, und einen Zerhackerkreis, der aus einem Thyristor und einer Diode besteht, die gegenparallel geschaltet sind. Das Zünden des Thyristors durch Anlegen eines passenden Impulses an seinen Steueranschluß ruft die Schwingung des Schwinkreises und die Erzeugung einer Hochfrequenzschwingungsperiode hervor, wobei der Thyristor während der ersten Halbschwingungsperiode und die Diode während der zweiten Halbschwingungs· Periode leitet.

Ein großes Problem stellt sich, sobald man über hohe Frequenzen verfügen möchte, obgleich man billige Thyristoren benutzt, was beispielsweise erwünscht ist, wenn mit diesen Wandlern Haushaltsgeräte zur induktiven Erwärmung ausgerüstet werden, deren Preis so niedrig wie möglich sein soll. Dieses Problem stellt sich außerdem, wenn man mit einem Thyristor bestimmter Qualität die Frequenz der gelieferten Wechselstromenergie erhöhen möchte.

Die Thyristoren gehen nämlich theoretisch in den Sperrzustand über, wenn der Strom, der sie durchfließt, Null wird, was bei den Wandlern, von denen die Rede ist, am Ende der ersten Halbperiode einer Schwingung erfolgt. Es ist bekannt, daß tatsächlich diese Sperrung nicht sofort erfolgt, sondern effektiv erst nach einer Sperrverzugszeit (engl.: "turn off time"), die im folgenden als Freiwerdezeit TOT bezeichnet wird. Es ist klar, daß, damit ein Zündimpuls den Thyristor zünden und das Erzeugen einer neuen Hochfrequenzschwingungsperiode durch den Schwingkreis hervorrufen kann, dieser Thyristor zuerst gesperrt gewesen sein muß. Es ist somit erforderlich, daß die Zeit, während der die Diode des Zerhackerkreises leitet, größer ist als die Freiwerdezeit des

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Thyristors. Da diese Durchlaßzeit der Diode der zweiten Halbschwingungsperiode der in dem Schwingkreis erzeugten HochfrequenzSchwingungsperiode entspricht, ist klar, daß man bei einem Thyristor, der eine bestimmte Freiwerdezeit hat, nicht nach Belieben die Eigenfrequenz des Schwingkreises und somit die Frequenz der von dem Wandler gelieferten Hochfrequenzenergie erhöhen kann.

Das stellt bei den herkömmlichen Wandlern einen großen Nachteil dar, die entweder unter Verwendung von teueren Thyristoren mit kleinen Freiwerdezeiten hohe Frequenzen liefern sollen oder die nur ziemlich niedrige Frequenzen liefern sollen.

Ein Ziel der Erfindung ist es, einen Thyristorwandler zu schaffen, der diesen Nachteil nicht aufweist und in der Lage ist, entweder mit billigen Thyristoren ausreichend hohe Frequenzen zu liefern oder mit teuereren Thyristoren sehr hohe Frequenzen zu liefern.

Ein Wandler zur Umwandlung von Gleichstromenergie in Wechselstromenergie hoher Frequenz, mit einem Schwingkreis und mit einem Zerhackerkreis, welcher einen Thyristor und eine Diode in Gegenparallelschaltung enthält, die Gleichstromenergie empfängt und, wenn ein Zündsignal an den Thyristor angelegt wird, die Erzeugung der Wechselstromenergie hoher Frequenz durch den Schwingkreis steuert, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet _r daß, während der Durchlaßstromkreis des Thyristors den Schwingkreis enthält, der Durchlaßstromkreis der Diode den Schwingkreis und eine zusätzliche Selbstinduktivität enthält.

Wenn ein solcher Wandler in einer Einrichtung zur induktiven Erwärmung benutzt wird, kann die zusätzliche Selbstinduktivität des Durchlaßstromkreises der Diode vorteil-

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hafterweise mit der des Schwingkreises gekoppelt sein, wobei diese beiden Selbstinduktivitäten dann zusammen den Induktor bilden, der die Leistung an den zu erwärmenden Gegenstand abgibt.

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

Fig. 1 das vereinfachte Schaltbild eines

herkömmlichen Wandlers,

Fig. 2 das vereinfachte Schaltbild eines

Wandlers nach der Erfindung,

Fig. 3 . Kurven, welche den Verlauf der Ströme

in verschiedenen Punkten der Schaltung von Fig. 1 zeigen,

Fig. 4 das Schaltbild eines Wandlers nach

der Erfindung, der insbesondere einer Einrichtung zur induktiven Erwärmung angepaßt ist,

die Fig. 5 und 6 Schaltbilder von zwei Varianten von

Wandlern nach der Erfindung, und

die Fig. 7 bis 11 Beispiele für die Wicklungen von Heizinduktoren .

Fig. 1 zeigt ein herkömmliches Schaltbild eines bekannten Wandlers, welcher in der Selbstinduktivität L₁ eines Schwingkreises C eine Hochfrequenzstromenergie erzeugt, die beispielsweise zum Erwärmen eines elektrisch leitenden Werkstückes P durch Ausbildung Von Wirbelströmen in die-

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sem Werkstück dient. Dieses Beispiel der allgemein üblichen Verwendung eines solchen Wandlers, der Gleichstromenergie (die Gleichspannung E liegt an den Klemmen 1 und 2 an) in Hochfrequenzwechselstromenergie in einem Schwingkreis C umwandelt, wird in der gesamten Beschreibung der Erfindung angegeben. Selbstverständlich ist die Anwendung der Wandler nach der Erfindung nicht auf die Erwärmung beschränkt. Einige weitere Anwendungsbeispiele sind am Ende der Beschreibung angegeben.

Die Gleichstromenergie, die durch die Spannung E dargestellt ist, wird den Klemmen 3 und 4 eines Zerhackerkreises zugeführt _r welcher aus einem Thyristor Th und einer Diode D besteht, die gegenparallel geschaltet sind. Eine Sperrselbstinduktivität L_n ist zwischen eine der Klemmen der Gleichspannungsquelle, hier die Klemme 1, und eine der Klemmen des Zerhackerkreises, hier die Klemme 3, geschaltet.

Der Schwingkreis C , der hier aus einem Kondensator C und einer in Reihe liegenden Selbstinduktivität L₁ besteht, ist seinerseits mit den Klemmen 3 und 4 des Zerhackerkreises verbunden.

Ein Zündsignal S, das aus Impulsen besteht, die sich mit einer Zündfrequenz wiederholen, wird an den Steueranschluß des Thyristors Th angelegt. Die Impulse dieses Signals sind so gewählt, daß sie, wenn der Thyristor zwischen Katode und Anode passend vorgespannt ist, ihn leitend machen.

Eine solche Schaltung arbeitet folgendermaßen. In einer ersten Zeit lädt sich der Kondensator C mit einer Spannung 2E auf, wobei die Klemme 3 des Zerhackerkreises in bezug auf die Klemme 4 positiv vorgespannt wird; die Diode D

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ist gesperrt. Ein Impuls des Zündsignals S steuert dann das Zünden des Thyristors Th, der leitend wird. Der Strom I, der durch den Thyristor fließt, ist die Summe des Stroms IC , der von dem Schwingkreis geliefert wird, und des Stroms IL_n, der durch die Selbstinduktivität L_ß fließt, an die ein Spannungssprung E angelegt wird, sobald der Thyristor leitet. Fig. 3 zeigt den Verlauf dieser Ströme.

Der Strom IC ist ein sinusförmiges Signal, dessen Frequenz 1/t_o die Eigenfrequenz des Schwingkreises C ist. Der Strom IL„, der durch die Selbstinduktivität L_ fließt

JtJ Jö

und zunimmt, solange der Thyristor leitet, addiert sich zu dem Strom IC , so daß sich der Strom I ergibt. Wenn der Strom I am Ende einer Zeit t₃ Null wird, die aufgrund der Wirkung der Selbstinduktivität L_ß ein wenig größer ist als t. = t₂/2, wird der Thyristor theoretisch gesperrt. Da der Schwingkreis in der negativen Halbperiode seiner Schwingung ist, wird die Diode D leitend. Der Strom I besteht so in seiner ersten Halbperiode von t = O bis t_ aus dem Strom ITh, der durch den Thyristor fließt, und in seiner zweiten Halbperiode von t-, bis t~ aus dem Strom I , der durch die Diode fließt.

Tatsächlich wird, wie bereits erwähnt, der Thyristor nicht gesperrt, sobald der Strom I Null wird, sondern erst am Ende einer gewissen Zeit, bei welcher es sich um seine Freiwerdezeit handelt. Nach Fig. 3 ist klar, daß man die Eigenfrequenz 1/t₀ des Schwingkreises C nicht über einen derartigen Wert hinaus erhöhen kann, daß die Freiwerdezeit größer als t₂ - t_ würde. Die Zeit, während der die Diode D leitet, soll also immer größer als die Freiwerdezeit des Thyristors bleiben.

Fig. 2 zeigt einen gemäß der Erfindung verbesserten Wandler, welcher gestattet, die Frequenz der erzeugten Hoch-

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frequenzenergie zu erhöhen, obgleich ein Thyristor beibehalten wird, der eine große Freiwerdezeit hat.

Die durch die Erfindung geschaffene Verbesserung besteht darin, den Durchlaßstromkreis der Diode D derart abzuwandeln, daß die Zeit, während der diese Diode leitet, verlängert wird, ohne die Zeit zu verlängern, während der der Thyristor leitet»

Zu diesem Zweck wird eine zusätzliche Selbstinduktivität L₂ zwischen d<
Reihe geschaltet.

tat L₂ zwischen den Klemmen 3 und 4 mit der Diode D in

Der Durchlaßstromkreis der Diode D, d.h. der Stromkreis, in welchem der Strom I fließt, besteht dann aus dem Kondensator C und den beiden in Reihe geschalteten Selbst induktivitäten L., und L₂, während der Durchlaßstromkreis des Thyristors Th, d.h. der Stromkreis, in welchem der Strom ITh fließt, weiterhin aus dem Kondensator C und der mit ihm allein in Reihe geschalteten Selbstinduktivität L₁ besteht.

Der Schwingkreis C hat auf diese Weise zwei Eigenfrequenzen. Die erste dieser beiden Frequenzen entspricht der ersten Halbperiode der Schwingung, in welcher der Thyristor leitet, und hat den Wert

Die zweite Frequenz entspricht der zweiten

2π V L₁ C

Halbperiode, in welcher die Diode leitet, und hat den

Wert *

2π V¹ (L₁ + L₂) C

Man kann so durch Einstellen der Werte von C und von L-die erste Eigenfrequenz des Schwingkreises erhöhen, d.h. die Dauer der ersten Halbperiode verringern, ohne daß ebenso die Dauer der zweiten Halbperiode kleiner als die Frei-

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werdezeit des Thyristors wird. Es genügt, den Wert der Selbstinduktivität L„ so zu wählen, daß der Ausdruck ttV (L₁ + L₉) C, welcher die Dauer dieser zweiten Halbperiode angibt, größer ist als die Freiwerdezeit TOT.

Es gilt deshalb:

π VL₁ C < TOT < TtV(L₁ + L₂) C.

Das Vorhandensein der Selbstinduktivität L₀ in dem Durchlaßstromkreis der Diode D bietet einen weiteren Vorteil, der in dieselbe Richtung geht wie das vorstehend beschriebene Ergebnis.

Während der zweiten Halbperiode, wenn die Diode D leitet, erzeugt nämlich die Selbstinduktivität L~ an den Klemmen des Thyristors eine umgekehrte Spannung. Es ist aber bekannt, daß das Anlegen einer umgekehrten Spannung an die Klemmen eines Thyristors, der aufhört zu leiten _r seine Freiwerdezeit verringert.

Auf diese Weise kann man dank der Erfindung entweder weiterhin billige Thyristoren verwenden, obgleich man in dem Schwingkreis hohe Frequenzen hat, oder unter Verwendung von Thyristoren höherer Qualität höhere Frequenzen als in den bekannten Schaltungen haben.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung der Selbstinduktivitäten L₁ und L₂ 1 die besonders vorteilhaft anwendbar ist, wenn der Wandler nach der Erfindung für Einrichtungen zur induktiven Erwärmung dient. Das zu erwärmende Werkstück P ist hier durch seine elektrische Ersatzschaltung dargestellt, die aus einer durch einen Belastungswiderstand R geschlossenen Windung besteht.

Die Selbstinduktivitäten L₁ und L₂ sind miteinander ver·

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bunden und dienen beide zum Erwärmen des Werkstückes P. Es ergibt sich dadurch eine erhöhte Wirksamkeit der Schaltung und eine mögliche Verringerung des Kupfers der beiden SelDStinduktivitäten.

Fig. 5 zeigt eine Variante der Verwendung eines Wandlers der in Fig. 4 dargestellten Art, bei welcher ein Transformator T, dessen Primärwicklung aus den beiden gekoppelten Selbstinduktivitäten L₁ und L^ besteht, gestattet, die Impedanz der Belastung, d.h. des zu erwärmenden Werkstücks P an den Wandler anzupassen. Die Sekundärwicklung L₃ des Transformators ist durch eine Spule L. abgeschlossen, die als Induktor dient,

Fig. 6 zeigt eine weitere AusführungsVariante des Wandlers von Fig. 4, bei welcher die Sperr selbstinduktivität L_ß durch einen Thyristor T₂ ersetzt ist, um den Teil des Stroms IL_D, der von dieser Selbstinduktivtät herrührt, in dem Strom I des Zerhackerkreises zu unterdrücken, wenn der Thyristor Th leitet. Eine Selbstinduktivität L₅ ist zwischen den Thyristor T₃ und die Klemme 3 des Zerhackerkreises geschaltet, um die Stromänderungen in Abhängigkeit von der Zeit, die in dem Thyristor T₂ auftreten, zu begrenzen.

Ein impulsförmiges Zündsignal S wird an den Thyristor T₂ angelegt, um ihn leiten zu lassen, damit der Kondensator C aufgeladen wird. Wenn der Kondensator aufgeladen ist, wird der Strom in dem Thyristor T₃ Null und dieser Thyristor wird gesperrt. Das Signal S steuert dann das Entsperren des Thyristors Th und die Hochfrequenzschwingung wird in der zuvor beschriebenen Weise erzeugt.

Die Wandler nach der Erfindung sind, wie bereits erwähnt, ins-

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besondere an das Ausrüsten von Erwärmungseinrichtungen angepaßt, und zwar sowohl von industriellen Einrichtungen wie auch Haushaitseinrichtungen. Sie sind außerdem zur Herstellung van Gieichspannungswandlern oder von Gleichrichtern geeignet. Es genügt beispielsweise, die Selbstinduktivität I*. von Fig. 5 durch eine Gleichrichterschaltung mit nachgeschaltetem Filter zu ersetzen, um eine Gleichstromquelle zu erhalten.,· die von der den Wandler speisenden Gleichstromquelle E oder Wechsel— stromquelle (gleichgerichtetes Netz) entkoppelt ist.

Sie sind ferner als Ultraschallgenerator verwendbar.

In den Fällen der Verwendung zur Erwärmung, in welchen die beiden Selbstinduktivitäten L₁ und L₀, der Erfindung gekoppelt sind, können diese Selbstinduktivitäten beispielsweise entweder aus einem einzigen Induktor mit Abgriff oder mit Hilfe von zwei verschiedenen Induktoren hergestellt werden, die gemeinsam gewickelt sind, so daß sie miteinander verschachtelt sind.

Die Fig. 7 und 8 zeigen den ersten bzw.den zweiten dieser beiden Fälle an dem Beispiel von Zylinderspuleninduktoren,, die zur Erwärmung von langgestreckten Werkstücken P bestimmt sind. Bei dem in Fig. 7 gezeigten Induktor mit Abgriff befindet sich die Selbstinduktivität L₁ zwischen den Klemmen 5 und 6 und die Selbstinduktivität L^ zwischen den Klemmen 6 und 7. Bei den verschachtelten Induktoren von Fig. 8 liegt die Selbstinduktivität L.J beispielsweise zwischen den Klemmen und 10 und die Selbstinduktivität Lp zwischen den Klemmen 9 und 11.

Die Fig. 9 und 1O zeigen das Äquivalent der Fig. 7 und in dem Fall von flachen Induktoren, die zum Erwärmen

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von Werkstücken verwendbar sind, welche oberhalb oder unterhalb dieser Induktoren angeordnet sind.

Eine weitere Abwandlung der Herstellung dieser Selbstinduktivitäten besteht darin, sie aus vieladriger Litze herzustellen, um die Stromwärmeverluste zu verringern und um den Wirkungsgrad des Generators zu erhöhen.

Fig. 11 zeigt noch eine v/eitere Maßnahme zum Koppeln der beiden Selbstinduktivitäten L₁ und L₂ der Wandler nach der Erfindung durch Anordnen derselben übereinander, wie im Schnitt in Fig. 11b gezeigt.

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Claims

- 12 Patentansprüche :

1.) Thyristorwandler, der eine von einer Quelle gelieferte Gleichstromenergie in eine Hochfrequenzwechselstromenergie umwandelt, mit einem Schwingkreis, der aus einer ersten Induktivität, die mit einer Belastung magnetisch oder elektromagnetisch gekoppelt ist, und aus einem in Reihe geschalteten Kondensator besteht, mit einem Zerhackerkreis, der aus einem Thyristor und aus einer Diode, welche gegenparallel geschaltet sind, besteht, mit den Klemmen des Schwingkreises verbunden ist und, wenn er in den leitenden Zustand gesteuert ist, den Schwingkreis in sich abschließt, und mit einer zweiten oder Aufladungs- und Sperrinduktivität, die zwischen eine der Klemmen der Gleichstromenergiequelle und eine der Verbindungsklemmen des Schwingkreises und des Zerhackerkreises eingefügt ist, um sicherzustellen, daß einerseits der Kondensator über die erste und die zweite Induktivität, die in Reihe liegen, in Resonanz aufgeladen wird, wenn der Zerhackerkreis gesperrt ist, und daß andererseits die Gleichstromenergiequelle von dem Zerhackerkreis getrennt ist, wenn dieser entsperrt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zerhackerkreis (Th, D) eine dritte zusätzliche Induktivität (L₂) enthält, die mit der Diode (D) in Reihe geschaltet und von der zweiten Induktivität (L_) unabhängig ist, wobei die dritte Induktivität (L₂) mit dem Schwingkreis (C ) während des Durchlaßintervalls der Diode (D) in Reihe geschaltet ist, um die dieses Intervall bildende HaIbschwingungsperiode größer als die Freiwerdezeit (TOT) des Thyristors (Th) zu machen.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Induktivität (L₉) mit der Belastung (P) eben-

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falls magnetisch oder elektromagnetisch gekoppelt ist.

3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Induktivität (L₁) und die dritte Induktivität (L₀) gemeinsam die Primärwicklung eines Impedanzanpassungstransformators (T) bilden, dessen Sekundärwicklung (L₃) mit einem Heizinduktor (L₄) verbunden ist, der mit der Belastung (P) magnetisch gekoppelt ist.

4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er außerdem einen zusätzlichen Thyristor (T2) enthält, der in Reihe mit der zweiten Induktivität (L_n) zwischen die Gleichstromenergiequelle (E) und die Verbindungsklemme des Schwingkreises (C ) und des Zerhackerkreises (Th, D) eingefügt ist, wobei der zusätzliche Thyristor (T₃) über seinen Steueranschluß derart gesteuert wird, daß er während des gesperrten Zustandes des Zerhackerkreises (Th, D) leitend ist und während des leitenden Zustande des Zerhackerkreises gesperrt bleibt.

5. Verwendung eines Wandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in einer Einrichtung zur induktiven Erwärmung.

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