DE2615691B2 - Schaltungsanordnung zur Verhinderung der Sättigung des Eisenkernes des Wechselrichtertransformators eines Wechselrichters - Google Patents
Schaltungsanordnung zur Verhinderung der Sättigung des Eisenkernes des Wechselrichtertransformators eines WechselrichtersInfo
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Description
glied mit der Einrichtung zur betragsmäßigen Erfassung
des Magnetisierungsstromes verbunden ist, wobei ein Anstieg des Magnetisierungsstromes im Sinne einer
Absenkung der Steuerspannung für den Steuersatz des Wechselrichters wirkt. Eine andere Möglichkeit sieht
vor, daß ein Verstärker in den Spannungsregelkreis eingeschaltet ist, der mit dem betreffenden Regelkreissignal
und über ein Differenzierglied mit der Einrichtung aus betragsmäßigen Erfassung des Magnetisierungsstromes
verbunden ist, wobei ein Anstieg des Magnetisierungsstromes wiederum im Sinne einer
Absenkung der Steuerspannung für den Steuersatz des Wechselrichters wirkt Der genannte Verstärker kann
im Regelgrößenkanal oder im Führungsgrößenkanal des Spannungsreglers, vorzugsweise aber im Ausgang
des Spannungsreglers angeordnet sein.
Die beim Beginn der Sättigung auszulösende momentane vorzeitige Beendigung der jeweils am
Wechselrichtertransformator anliegenden Spannungshalbwelle kann jedoch auch durch einen Eingriff in den
Steuersatz bewirkt werden.
Bei einem Wechselrichter, dessen Eingangsgleichspannung über einen nach dem Zerhackerprinzip
arbeitenden Gleichstromsteller geführt ist, kann die beim Beginn der Sättigung ausgelöste momentane
vorzeitige Beendigung der jeweils am Wechselrichtertransformator anliegenden Spannungshalbwelle durch
einen Eingriff in die Steuereinrichtung des Gleichstromstellers derart erfolgen, daß der Gleichstromsteller
vorzeitig gesperrt gesteuert wird. Dies kann durch Aufschaltung des Differentialquotienten des Betrags des
Magnetisierungsstromes auf die Spannungsregelung des Gleichstromstellers erfolgen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihre in den Unteransprüchen näher gekennzeichneten Ausgestaltungen
werden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel eines Eingriffes in die Spannungsregelung eines Wechselrichters,
F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel einer Stromwandleranordnung zur Erfassung des Magnetisierungsstromes,
F i g. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Stromwandleranordnung
zur betragsmäßigen Erfassung des Magnetisierungsstromes,
Fig.5—7 weitere Ausführungsbeispiele von Eingriffen
in die Spannungsregelung von Wechselrichtern,
F i g. 8 und 9 Ausführungsbeispiele von digitalarbeitenden Stromwandleranordnungen zur betragsmäßigen
Erfassung des Magnetisierungsstromes,
Fig. 10 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für
einen über einen Gleichstromsteller gespeisten Wechselrichter.
In der schematischen Darstellung der Fig. 1 ist ein
Verbraucher 1 über einen Wechselrichtertransformator 4 an einen Wechselrichter 2 angeschlossen, der aus einer
Gleichspannungsquelle 3 gespeist wird, die beispielhaft als Batterie dargestellt ist Es sind jedoch beliebige
andere Gleichspannungsquellen möglich. Dem Wechselrichter 2 ist eine Steuereinheit zugeordnet, die einen
Steuersatz 8 und einen Spannungsregler 9 enthält. Der Steuersatz 8 erzeugt Zündimpulse für die gesteuerten
Ventile des Wechselrichters 2, deren ZUndwinkel von der ihm am Eingang Sa zugeführten Steuerspannung
bestimmt wird. Es wird angenommen, daß eine Erhöhung der Steuerspannung am Eingang 8a des
Steuersatzes 8 eine Vergrößerung des Effektivwertes der Wechselrichter-Ausgangsspannung bewirkt
Der als PI-Regler ausgebildete und unsymmetrisch betriebene Regelverstärker 9, dessen Rückführung mit
der Reihenschaltung eines Kondensators 11 und eines Widerstandes 12 beschaltet ist, ist mit seinem invertierenden
Eingang an einen Vergleichspunkt 16 angeschlossen, der mit dem Führungsgrößenkanal, dem
Regelgrößenkanal und einem zusätzlichen Kanal beschaltet ist Der Führungsgrößenkanal liegt über
einem Eingangs-Widerstand 14 an einem mit einer konstanten Gleichspannung gespeisten Potentiometer
15 zur Einstellung des Sollwertes. Der Regelgrößenkanal ist über einen Eingangs-Widerstand 13, über eine
Gleichrichterschaltung 22, die erforderlichenfalls noch eine Glättung und eine Anpaßschaltung enthalten kann,
mit einem Meßfühler 21 für die Verbraucherspannung verbunden. Der Meßfühler 21 kann auch im Ausgang
des Wechselrichters 2 angeordnet sein. Der nichtinvertierende Eingang des Regelverstärkers 9 liegt über
einen Widerstand 10 am Bezugspotential.
Zur Erfassung des Magnetisierungsstromes ist ein Differenzstromwandler 5 vorgesehen, der eine erste,
vom Strom in den Primärwicklungen 4p des Wechselrichtertransformators 4 durchflossene Primärwicklungen
ρ 1 und eine zweite, vom Strom in der Sekundärwicklung 4s des Wechselrichtertransformators
4 durchflossene Primärwicklung ρ 2, sowie eine Sekundärwicklung s aufweist Durch die Windungszahlen
der Primärwicklungen wird die Gewichtung und durch ihren Wicklungssinn die Polarität der Transformatorströme
berücksichtigt Die Windungszahlen der beiden Primärwicklungen pi und ρ2 des Differenzstromwandlers
5 stehen im gleichen Verhältnis zueinander wie die Windungszahlen von Primärwicklungen Ap
und Sekundärwicklung 4s des Wechselrichtertransformators 4.
Der Wicklungssinn der beiden Primärwicklungen ρ 1 und ρ 2 des Differenzstromwandlers 5 ist derart, daß die
Ströme gegensinnige magnetische Durchflutungen hervorrufen. Unterschiede in den magnetischen Durchflutungen
erzeugen in der Sekundärwicklung s einen Strom, der an den Ausgangsklemmen 6, 7 abgegriffen
und in einer Gleichrichterbrückenschaltung 20 gleichgerichtet wird. Die Gleichrichterbrückenschaltung 20 ist
mit einem Bürdenwiderstand 18 abgeschlossen, dem ein Kondensator 19 zur Unterdrückung von Störspannungsspitzen
parallelgeschaltet ist Die Spannung am Bürdenwiderstand 18 bildet den Betrag des Magnetisierungsstromes
ab. Die an der Klemme 60 abgegriffene
so Spannung am Bürdenwiderstand 18 wird dem Vergleichspunkt
16 des Regelverstärkers 9 über ein Differenzierglied zugeführt, das eine Reihenschaltung
eines Kondensators 17a und eines Widerstandes XJb umfaßt Ein über den normalen wechselstrommäßigen
Verlauf hinausgehender starker Anstieg des vom Differenzstromwandler 5 erfaßten und in der Gleichrichterbrückenschaltung
20 betragsmäßig umgesetzten Magnetisierungsstromes wirkt sich am Regelverstärker
9 wie eine plötzliche Absenkung des Sollwertes aus. Die
Steuerspannung am Ausgang des Regelverstärkers 9 sinkt und die nächste Kommutierung des Wechselrichters 2 wird bereits zu einem früheren Zeitpunkt
eingeleitet, als dies ohne die erfindungsgemäßen Maßnahmen der Fall wäre. Damit wird ein weiterer
Anstieg des Magnetisierungsstromes und eine Sättigung des Transformatorkerns des Wechselrichtertransformators 4 zuverlässig verhindert
Die in F i g. 1 dargestellte Aufschaltung des Differen-
Die in F i g. 1 dargestellte Aufschaltung des Differen-
tialquotienten des Betrags des Magnetisierungsstromes auf den Vergleichspunkt 16 des Regelverstärkers 9
erfordert keinerlei Änderungen in der Steuereinrichtung des Wechselrichters und kann auch bei vorhandenen Anlagen nachträglich eingebaut werden.
In der Darstellung der F i g. 2 sind gleiche oder gleich wirkende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen
versehen wie in Fig. 1. Der Regelverstärker 9 ist bezüglich seiner Rückführung und der Beschattung des
Führungsgrößenkanals und des Regelgrößenkanals wie to im bereits beschriebenen Ausführungsbeispiel der
F i g. 1 aufgebaut Der Ausgang des Regelverstärkers 9 ist über einen Widerstand 25 mit dem nichtinvertierenden Eingang eines als Spannungsfolger beschalteten
Operationsverstärkers 24 verbunden. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 24 ist
außerdem mit dem Differenzierglied 17a, 176 verbunden, das in der bereits beschriebenen Weise über die
Klemme 60 an den Bürdenwiderstand 18 und die Gleichrichterbrückenschaltung 20 angeschlossen ist, die
von der Einrichtung 5 zur Erfassung des Magnetisierungsstromes gespeist ist Der Operationsverstärker 24
arbeitet in der dargestellten Beschallung als Vergleicher, dessen Ausgangsspannung dem Eingang 8a des
Steuersatzes 8 als Steuerspannung zugeführt wird. Bei einem Anstieg des Magnetisierungsstromes wird die
Steuerspannung für den Steuersatz abgesenkt
Bei der in Fig.2 dargestellten Aufschaltung des
Differentialquoiienten des Betrags des Magnetisierungsstromes auf die Steuerspannung für den Steuer- 3u
satz ist der Einfluß des integralen Verhaltens der Spannungsregler 9 eliminiert
F i g. 3 zeigt einen Stromwandler 5a zur Erfassung des Magnetisierungsstromes eines komplizierten aufgebauten Wechselrichtertransformators 4a mit einer Primär-
wicklung Aq und einer Sekundärwicklung 4r, an die der Verbraucher 1 angeschlossen ist Der Wechselrichter 2a
ist in bekannter Weise aufgebaut Für jede Polarität seiner Ausgangsspannung ist ein Brückenzweig mit
zwei Thyristoren π 1, λ 2 bzw. η 3, π 4, die jeweils über
eine Induktivität L1 bzw. L 2 miteinander verbunden
sind, und jeweils ein Brückenzweig mit zwei antiparallelen Dioden dl, d2 bzw. d3, dA vorgesehen. Die
Ausgänge des Wechselrichters 2a sind an die Endanschlüsse 26 und 29 und an Anzapfungen 27 und 28 der
Primärwicklung Aq des Wechselrichtertransformators 4a geschaltet.
Der Stromwandler 5a enthält eine vom Strom in der Sekundärwicklung 4rdes Wechselrichtertransformators
4a durchflossene Primärwicklung ρ 15, sowie weitere Primärwicklungen ρ 11—ρ 14, die an die Ausgänge des
Wechselrichters 2a angeschlossen sind. Die Windungszahlen und der Wickelsinn der Primärwicklungen
pll—ρ 15 sind den Windungszahlen der entsprechenden Transformatorwicklungen so zugeordnet, daß ein in
der Sekundärwicklung s' des Stromwandlers 5a induzierter und an den Ausgangsklemmen 6a, 7a
abgegriffener Strom ein Abbild des Magnetisierungsstromes des Wechselrichtertransformators 4a ist
Der Mittelpunkt der Induktivität L 2 im Wechselrichter 2a ist über die Primärwicklung pH des Stromwandlers 5a mit dem Endanschluß 29 der Primärwicklung Aq
des Wechselrichtertransformators verbunden. Die Windungszahlen der Primärwicklung pH des Stromwandlers 5a entspricht der Windungszahl zwischen dem
Mittelpunkt 30 und dem Endanschluß 29 der Primärwicklung Aq des Wechselrichtertransformators 4a,
multJDliziert mit einem konstanten Faktor. Die Windungszahl der Pirmärwickhing ρ 12 des Stromwandlers
5a entspricht der Windungszahl zwischen dem Mittelpunkt 30 und dem Anschluß 28 der Primärwicklung Aq
des Wechselrichtertransformators 4a, multipliziert mit dem gleichen Faktor. Die Windungszahl der Primärwicklung ρ 13 des Stromwandlers 5a entspricht der
Windungszahl zwischen dem Mittelpunkt 30 und dem Anschluß 27 der Primärwicklung Aq des Wechselrichtertransformators 4a, multipliziert mit dem gleichen
Faktor. Die von der Primärwicklung ρ 13 hervorgerufene Durchflutung ist der von der Wicklung ρ 12
hervorgerufenen Durchflutung entgegengerichtet Die Windungszahl der Primärwicklung ρ 14 des Stromwandlers 5a entspricht der Windungszahl zwischen dem
Mittelpunkt 30 und dem Endanschluß 26 der Primärwicklung Aq des Wechselrichtertransformators 4a,
multipliziert mit dem gleichen Faktor. Die von der Primärwicklung ρ 14 hervorgerufene magnetische
Durchflutung ist der von der Primärwicklung pH hervorgerufenen Durchflutung entgegengerichtet. Die
Windungszahl der Primärwicklung ρ 15 des Stromwandlers 5a entspricht der Windungszahl der Sekundärwicklung Ar des Wechselrichtertransformators 4a,
multipliziert mit dem gleichen Faktor. Die von den Primärwicklungen pH und ρ 12 hervorgerufenen
magnetischen Durchflutungen sind den in den Primärwicklungen ρ 13, ρ 14, ρ 15 hervorgerufenen Durchflutungen entgegengerichtet
im Ausiuhrungsbeispie! der Fig.4 ist der Verbraucher 1 über einen Wechselrichtertransformator Ab an
einen Wechselrichter 2b angeschlossen. In den Verbindungsleitungen vom Wechselrichter 2b zur Primärwicklung des Wechselrichtertransformators Ab sind Stromwandler 40—43 angeordnet In der Verbindungsleitung
von der Sekundärwicklung des Wechselrichtertransformators Ab zum Verbraucher 1 ist ein weiterer
Stromwandler 44 angeordnet Als Stromwandler können — ebenso wie in den anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung — elektromagnetisch arbeitende
Wandler, Hall-Wandler, elektronische Zerhackerwandler oder Wandler nach dem Prinzip von Spannungs-Frequenz-Wandlern verwendet werden, wobei letztere mit
allen Spannungstrennungsarten arbeiten können, wie beispielsweise auf induktiven oder optischen Weg oder
mit Hilfe von Ultraschall Die Stromwandler 40—44 sind jeweils mit ihrem einen Anschluß mit dem Bezugspotential und mit ihrem anderen Anschluß über einen der
Eingangswiderstände 46—49 bzw. über den Eingangswiderstand 39 mit dem invertierenden Eingang eines
Operationsverstärkers 45 verbunden. Die Rückführung des Operationsverstärkers 45 ist mit einem ohmschen
Widerstand 50 beschaltet Sein nichtinvertierender Eingang liegt über einen Widerstand 51 am Bezugspotential. In der dargestellten Beschattung arbeitet der
Operationsverstärker 45 als Summierverstärker, wobei beispielsweise die Ausgangsspannungen der Stromwandler 40, 41 und 44 mit negativer Polarität und die
Ausgangsspanungen der Stromwandler 42 und 44 mit positiver Polarität wirksam werden. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 45 ist dem Magnetisierungsstrom proportional.
Als Stromwandler 40—44 können einheitlich aufgebaute Wandler verwendet werden, insbesondere auch
sogenannte Durchsteckwandler. Ein Durchsteckwandler enthält eine Sekundärwicklung auf einem Eisenkern,
der über eine die Primärwicklung bildende Stromschiene gesteckt wird. Bei einheitlicher Wandlerübersetzung
werden die Transformatorströme über die Widerstands-
werte der Eingangswiderstände 46—49 und 39 gewichtet. Diese Eingangswiderstände sind jeweils der
zugehörigen wirksamen Windungszahl der Primäröder Sekundärwicklungen des Wechselrichtertransformators umgekehrt proportional
Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 43, die den Magnetisierungsstrom abbildet, wird einer
Gleichrichterschaltung zugeführt Die Gleichrichterschaltung enthält einen Operationsverstärker 58, dessen
Rückführung mit einem ohmschen Widerstand 57 beschaltet ist. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 58 liegt über einen Eingangswiderstand
54 und eine Diode 52 am Ausgang des Summierverstärkers 45, sowie über einen weiteren Widerstand 56 am
Bezugspotential. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 58 liegt über einen Eingangswiderstand 55 und eine antiparallel geschaltete Diode 53
am Ausgang des Summierverstärkers 45, sowie über einen weiteren Widerstand 59 am Bezugspotential. Die
Spannung am Ausgang 60 des Operationsverstärkers 58 ist dem Betrag des Magnetisierungsstromes proportional. *
F i g. 5 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung der Steuerspannung für den Steuersatz 8 eines
Wechselrichters. Die Spannung an Klemme 60, die dem Betrag des Magnetisierungsstromes proportional ist,
wird auf ein Differenzierglied geführt, das einen Operationsverstärker 61 enthält, dessen invertierender
Eingang mit der Reihenschaltung eines Kondensators 17a und eines Widerstandes 176 beschaltet ist Die
Rückführung des Operationsverstärkers 61 ist mit einem ohmschen Widerstand 63 beschaltet Der
nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 61 liegt über einen Widerstand 62 am Bezugspotential.
Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 61 ist der zeitlichen Änderung des Betrages des Magnetisierungsstromes proportional. Der Ausgang des Operationsverstärkers 61 ist über einen Eingangswidersand 64
mit dem Vergleichspunkt 16 des Regelverstärkers 9 verbunden, der im übrigen mit dem Führungsgrößenkanal und dem Regelgrößenkanal in der gleichen Weise
wie in F i g. 1 beschaltet ist
F i g. 6 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung der Steuerspannung für den Steuersatz 8 eines
Wechselrichters. Das Differenzierglied ist in der gleichen Weise aufgebaut und beschaltet wie in Fig.5.
Der Spannungsregler 9 ist in der gleichen Weise aufgebaut und beschaltet wie in Fig.2. Der Ausgang
des Spannungsreglers 9 ist über einen Eingangswiderstand 25 und der Ausgang des Differenziergliedes ist
über einen Eingangswiderstand 64 mit dem nichtinvertierenden Eingang einen als Spannungsfolger betriebenen Operationsverstärkers 24 verbunden, der bereits in
Fig.2 beschrieben wurde. Der Ausgang des Spannungsfolgers 24 ist mit dem Eingang 8a des Steuersatzes
8 verbunden.
Fig.7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der
Vergleichspunkt 16 des Spannungsreglers 9 mit dem Führungsgrößenkanal, dem Regelgrößenkanal und über
ein Differenzierglied mit der Klemme 60 verbunden ist,
an der eine dem Betrag des Magnetisierungsstromes proportionale Spannung ansteht Die Wirkungsweise
der Schaltung ist analog zur Schaltung nach F i g. 1.
Die bisher beschriebenen Ausführungsbeispiele verwenden die Verarbeitung von analogen Spannungen. Es
sind jedoch auch . Schaltungen möglich, die mit eingeprägten Stromsignalen oder mit anderen Mitteln
der Informationsverarbeitung realisiert werden, insbesondere auch mit Bausteinen der Digitaltechnik.
F i g. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer digitalen Lösung. Der Verbraucher 1 ist über einen Wechselrichtertransformator 4c mit einem Wechselrichter 2
verbunden. In den Zuleitungen zu den Wicklungen des Wechselrichtertransformators 4c sind digital arbeitende
Stromwandler 70 und 71 eingeschaltet Die digitalen Stromwandler können beispielsweise mit einer Betriebsfrequenz von 20 MHz arbeiten, wobei eine
ίο Abfrage mit 10 kHz erfolgt Die Ausgangsfrequenzen
der digitalen Stromwandler sind den jeweiligen Strömen proportional.
Den digitalen Stromwandlern 70 bzw. 71 sind Frequenzteilerschaltungen 72 bzw. 73 nachgeschaltet,
deren Teilverhältnisse jeweils entsprechend den Windungszahlen der Primärwicklung bzw. der Sekundärwicklung des Wechselrichtertransformators 4c eingestellt sind. Die Gewichtung der Ströme in den
Wicklungen des Wechselrichtertransformators erfolgt
somit durch die Teilerverhältnisse der Frequenzteilerschaltungen.
Die Frequenzteilerschaltungen 72 und 73 sind mit den Zähleingängen eines Vorwärts-Rückwärts-Zählers 74
verbunden, beispielsweise ist die Frequenzteilerschal
tung 73 mit dem Vorwärts-Zähleingang und die
Frequenzteilerschaltung 72 mit dem RUckwärts-Zähleingang des Zählers 74 verbunden. Die Differenzbildung der gewichteten Transformatorströme erfolgt
somit im Vorwärts-Rückwärts-Zähler 74, an dessen
Datenausgängen eine dem Magnetisierungsstrom proportionale Zahl erscheint. Diese Zahl wird für ein
Abfrageintervall in einem Register 77 gespeichert Es wird jeweils nur die absolute Zahl vom Ausgang des
Zählers 74 ins Register 77 übernommen. Das Vorzei
chen der Zahl am Zählerausgang wird nicht weiter
verfolgt Dies ist eine digitale Gleichrichtung, wodurch die im Register 77 gespeicherte Zahl dem Betrag des
Magnetisierungsstromes entspricht Der Inhalt des Registers 77 wird in einem Digital-Analog-Wandler 78
in eine analoge Spannung umgesetzt, die an Klemme 60
erscheint und dem Betrag des Magnetisierungsstromes entspricht Die Spannung an Klemme 60 kann in einer
der bereits beschriebenen Weisen differenziert und weiter verarbeitet werden.
Zur Festlegung des Abfragetaktes ist ein Impulsgeber (dock) 75 vorgesehen, der den Übernahmeeingang des
Registers 77 und über ein Impulsverzögerungsglied 76 den Rücksetzeingang des Zählers 74 beaufschlagt Die
zyklische Abfrage der Stromwandler erfolgt somit in
der bei digitalen Meßschaltungen üblichen Weise.
Fig.9 zeigt ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel einer
digitalen Lösung. Die Ströme in den Wicklungen des Wechselrichtertransformators 4cwerden wiederum von
digital arbeitenden Stromwandlern 70 und 71 erfaßt und
in Frequenzteilerschaltungen 72 und 73 durch die
entsprechenden Windungszahlen dividiert. Die Ausgangsimpulse der Frequenzteilerschaltungen 72 und 73
werden den Eingängen von Vorwärts-RUckwärts-Zählern 80 und 81 in der Weise zugeführt, daß
beispielsweise der Frequenzteiler 72 mit den Rückwärts-Zähleingängen der Zähler 80 und 81 und der
Frequenzteiler 73 mit den Vorwärts-Zähleingängen der Zähler 80 und 81 verbunden ist. Die Datenausgänge der
beiden Zähler 80 bzw. 81 sind mit Registern 82 bzw. 83
verbunden. Ein digitaler Subtrahierer 84, beispielsweise
ein Differenzgatter, bildet die Differenz der gespeicherten Registerinhalte.
Ein Impulsgeber (dock) 75 zur Vorgabe des
Abfragetaktes ist mit dem Rücksetzeingang des Zählers 80 und mit dem Obernahmeeingang des Registers 82
sowie über eine Impulsumkehrstufe 85 mit dem Rücksetzeingang des Zählers 81 und dem Übernahmeeingang
des Registers 83 verbunden. Es werden jeweils nur die absoluten Zahlenwerte ohne Berücksichtigung
der Vorzeichen von den Zählern in die Register übernommen. Die Zähler 80 bzw. 81 werden vom
Impulsgeber 75 abwechselnd freigegeben bzw. rückgesetzt Während der Zähler 80 rückgesetzt wird, läuft der ι ο
Zähler 81, und umgekehrt Die Übernahme der Zählerstände in die nachgeordneten Register erfolgt
jeweils nach Ablauf der Freigabezeit für einen Zähler. Der Subtrahierer 84 bildet die Differenz der Registerinhalte
und damit auch die Differenz der zeitlich '5 aufeinanderfolgenden Zählerstände. Die Ausgangsfrequenz
des Subtrahierers 84 stellt bei konstantem Abfragetakt ein MaB für den Differentialquotienten des
Betrages des Magnetisierungsstromes dar. Die Ausgangsfrequenz des Subtrahierers 84 wird über einen
Digital-Analog-Wandler 78 in eine analoge Spannung umgesetzt, die dem Differentialquotienten des Betrags
des Magnetisierungsstromes proportional ist und nach einem der bereits beschriebenen Beispiele weiter
verarbeitet werden kann.
Während im Ausführungsbeispiel der Fig.8, das beispielsweise mit einem Ein-Register-Microprozessor
realisierbar ist, jeweils zwischen den Zählzeitabschnitten inaktive Zeitabschnitte (handling-time) für das
Rücksetzen des Zählers und die Übernahme des Zählerstandes in das Register liegen, treten beim
Ausführungsbeispiel der F i g. 9, das mit einem Zwei-Register-Microprozessor realisiert werden kann, keine
inaktiven Zeitabschnitte auf. In F i g. 9 läuft immer einer der beiden Zähler.
Eine digitale Auswertung, wie sie in den F i g. 8 und 9 anhand von digitalen Bausteinen dargestellt und
beschrieben wurde, kann insbesondere auch mit Hilfe eines Digitalrechners erfolgen, beispielsweise eines
Microprozessors.
Digitale Auswertungen können auch bei Wechselrichtertransformaturen
eingesetzt werden, die komplizierter aufgebaut sind, beispielsweise bei dem in den
F i g. 3 und 4 dargestellten Wechselrichtertransformatoren. Es ist jeweils nur auf eine vorzeichenrichtige
Beschattung der digitalen Stromwandler mit den Vorwärts-Zähleingängen bzw. den Rückwärts-Zähleingängen
der Vorwärts-Rückwärts-Zähler sowie auf Teilerverhältnisse der Frequenzteilerschaltungen zu
achten, die den Windungszahlen der betreffenden Transformatorwicklungen bzw. Teilwicklungen entsprechen.
Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,
bei dem ein Verbraucher 1 über einen Wechselrichtertransformator 4c/ mit einem Wechselrichter 2 verbunden
ist, dessen Eingangsgleichspannung aus einer Gleichspannungsquelle 3 über einen Gleichstromsteller
89 nach dem Zerhackerprinzip geführt ist Der Gleichstromsteller 89 kann in bekannter Weise von
einer Steuereinrichtung 90 gesteuert werden, die eine Spannungsregelung und einen Steuersatz enthält Der
Magnetisierungsstrom des Wechselrichtertransformators 4c/ wird wiederum durch Differenzbildung des
gewichteten Primärstromes und des gewichteten Sekundärstromes des Wechselrichgertransformators
gebildet, die von Stromwandlern 86 und 87 erfaßt werden. Eine den Stromwandlern 86,87 nachgeschaltete
Einrichtung 88 erzeugt ein Signal, das dem Differentialquotienten des Betrages des Magnetisierungsstromes
proportional ist Dieses Signal beaufschlagt zusätzlich die Steuereinrichtung 90 des Gleichstromstellers
89 im Sinne, daß bei einer starken Erhöhung des Differentialquotienten des Magnetisierungsstromes
der Gleichstromsteller 89 vorzeitig gesperrt gesteuert wird. Dies kann beispielsweise in der
gleichen Weise geschehen, wie dies bei den Steuereinrichtungen für Wechselrichter bereits beschrieben
wurde.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (14)
1. Schaltungsanordnung zur Verhinderung der Sättigung des Eisenkerns des Wechselrichtertransformators
eines Wechselrichters mit einer Steuereinrichtung, die die Spannungszeitflächen der
Wechselrichterhalbwellen steuert, wobei die Steuereinrichtung von einer den Magnetisierungszustand
des Eisenkernes erfassenden Meßeinrichtung beeinflußbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß
die Meßeinrichtung als Einrichtung zur betragsmäßigen Erfassung und Differenzierung des Magnetisierungsstromes
des Eisenkernes des Wechselrichtertransformators ausgebildet ist und daß die Beeinflussung
der Steuereinrichtung des Wechselrichters in Abhängigkeit vom Differentialquotienten des Magnetisierungsstromes
in der Weise vorgesehen ist, daß durch den beim Beginn der Sättigung auftretenden
stark erhöhten Differentialquotienten die jeweils am Wechselrichtertransformator anliegende
Spannungshalbwelle momentan vorzeitig beendet wird.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung des Magnetisierungsstromes
Stromwandler in den Zuleitungen zur Primärwicklung und zur Sekundärwicklung des Wechselrichtertransformators vorgesehen sind.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Differenzstromwandler (5)
mit zwei Primärwicklungen (p 1, ρ 2) und mit einer Sekundärwicklung (s) vorgesehen ist, wobei die
beiden Primärwicklungen (pi, ρ2) des Differenzstromwandlers
(5) vom Primärstrom und vom Sekundärstrom des Wechselrichtertransformators (4) durchflossen sind und das Windungszahlenverhältnis
der Primärwicklungen (p 1, ρ 2) des Differenzstromwandlers (S) dem Windungszahlenverhältnis
der Wicklungen (4p, 4s) des Wechselrichtertransformators (4) entspricht (Fig. 1).
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 für einen Wechselrichter, dessen Primärwicklung über
Endanschlüsse und Zwischenanzapfungen mit den Ausgängen des Wechselrichters verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Stromwandleran-Ordnung
(5a) vorgesehen ist, die eine vom Sekundärstrom des Wechselrichtertransformators (4a) durchflossene
Primärwicklung (p 15), eine der Anzahl der Teilwicklungen der Primärwicklung (4q) des Wechselrichtertransformators
(4a) entsprechende Anzahl von weiteren Primärwicklungen (p 11 — ρ 14) sowie
eine Sekundärwicklung (ä) aufweist, wobei die
Windungszahlen und der Wicklungssinn der Primärwicklungen (p 11-p 15) der Stromwandleranordnung
(Sa) entsprechend den Windungszahlen der 5S
Wicklungen bzw. der Teilwicklungen des Wechselrichtertransformators (4a) und deren Stromflußrichtung
gewählt ist (F i g. 3).
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzstromwandler
(5) bzw. die Stromwandleranordnung (Sa) einen Kern mit Luftspalt aufweist
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß in den Zuleitungen zur
Primärwicklung und zur Sekundärwicklung des Wechselrichtertransformators (4b) Stromwandler
(40—44) vorgesehen sind, die mit einer Summiereinrichtung verbunden sind, wobei die Gewichtungen
der Summiereingänge den wirksamen Windungszahlen der jeweiligen Wicklungen bzw. Teilwicklungen
des Wechselrichtertransformators (46) umgekehrt proportional sind und des Vorzeichen bzw. die
Polarität der Summiereingänge dem jeweiligen Wicklungssinn entspricht (F i g. 4).
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Stromwandler (70, 71) mit
digitalen Ausgangssignalen vorgesehen sind, die jeweils über Frequenzteiler (72, 73) mit einem der
jeweiligen Windungszahl der betreffenden Wicklung bzw. der betreffenden Teilwicklung des Wechselrichtertransformators
(46) entsprechenden Teilerverhältnis den Vorwärts- bzw. Rückwärts-Zähleingängen eines Vorwärts-Rückwärts-Zählers (74)
zugeführt sind (F i g. 8).
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Stromwandler vorgesehen sind,
die nach dem Hallwandler-Prinzip, dem Spannungs-Frequenz-Wandler-Prinzip oder dem Prinzip von
elektronischen Zerhackerwandiern arbeiten.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die beim Beginn der Sättigung
ausgelöste momentane vorzeitige Beendigung der jeweils am Wechselrichtertransformator anliegenden
Spannungshalbwelle durch eine vorzeitige Einleitung der nächstfolgenden Kommutierung des
Wechselrichters erfolgt
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9 für einen spannungsgeregelten Wechselrichter, dadurch
gekennzeichnet, daß zur vorzeitigen Einleitung der nächstfolgenden Kommutierung des Wechselrichters
eine Aufschaltung des Differentialquotienten des Betrags des Magnetisierungsstromes bei der
Spannungsregelung in der Steuereinrichtung des Wechselrichters vorgesehen ist.
11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß der Vergleichspunkt (16) für den Sollwert-Istwert-Vergleich bei der Spannungsregelung
zusätzlich über ein Differenzierglied (Kondensator 17a, Widerstand YIb) mit der Einrichtung
zur betragsmäßigen Erfassung des Magnetisierungsstromes verbunden ist, wobei ein Anstieg des
Magnetisierungsstromes im Sinne einer Absenkung der Steuerspannung für den Steuersatz (68) des
Wechselrichters (2) wirkt (F i g. 1).
12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Verstärker (24) in den Spannungsregelkreis eingeschaltet ist der mit dem
betreffenden Regelkreissignal und über ein Differenzierglied (Kondensator 17a, Widerstand Y!b)mAder
Einrichtung zur betragsmäßigen Erfassung des Magnetisierungsstromes verbunden ist, wobei ein
Anstieg des Magnetisierungsstromes im Sinne einer Absenkung der Steuerspannung für den Steuersatz
(8) des Wechselrichters wirkt (F i g. 2).
13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker im
Ausgang des Spannungsreglers angeordnet ist
14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 für einen Wechselrichter, dessen Eingangsgleichspannung
über einen nach dem Zerhackerprinzip arbeitenden Gleichstromsteller geführt ist, dadurch
gekennzeichnet daß die beim Beginn der Sättigung ausgelöste momentane vorzeitige Beendigung der
jeweils am Wechselrichtertransformator (4d) anliegenden Spannungshalbwelle durch einen Eingriff in
die Steuereinrichtung (90) des Gleichstromstellers
(89) derart erfolgt, daß der Gleichstromsteller (8S)
vorzeitig gesperrt gesteuert wird (F i g. 10).
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Verhinderung der Sättigung des Eisenkerns
des Wechselrichtertransformators eines Wechselrichters mit einer Steuereinrichtung, die die Spannungszcitflächen
der Wechselrichterhalbwellen steuert, wobei die ι ο
Steuereinrichtung von einer den Magnetisierungszustand des Eisenkerns erfassenden Meßeinrichtung
beeinflußbar ist Eine solche Schaltungsanordnung ist bekannt (DE-OS 2? 46 901).
Bei Wechselrichtertransformatoren besteht die Gefahr einer Sättigung des Transformatorkerns, wenn die
Ausgangsspannung des Wechselrichters nicht vollkommen frei von Gleichspannungskomponenten ist, dh.
wenn die positiven und negativen Spannungszeitflächen in der Ausgangsspannung des Wechselrichters nicht
gleich groß sind. Unterschiede in den positiven und negativen Spannungszeitflächen können durch verschiedene
Einflüsse hervorgerufen werden, beispielsweise durch eine Welligkeit der eingangsseitigen
Gleichspannung, durch unterschiedliche Durchlaßspannungsabfälle der gesteuerten Wechselrichterventile,
durch asymmetrische Ansteuerung oder durch unterschiedlichen Zündverzug der gesteuerten Wechselrichterventile,
durch unterschiedliche Impedanzen in den Zuleitungen der einzelnen Ventile oder durch
dynamische Regelvorgänge Bereits kleine Gleichspannungskomponenten
können infolge der sehr kleinen ohmschen Widerstände in den Ventilzweigen des Wechselrichters zu großen Gleichstromkomponenten
führen. Die Spitzenwerte des Magnetisierungsstromes können rasch erhebliche Werte erreichen. Insbesondere
bei Wechselrichtern mit Halbleiterventilen wirken sich hohe Spitzenwerte des Magnetisierungsstromes störend
aus, da sie zu einer Überlastung der Halbleiterventile führen können. Es ist deshalb üblich, Wechselrichter- +0
transformatoren eisenmäßig reichlich zu bemessen und ihre Magnetisierungskennlinie durch einen Luftspalt zu
verflachen. Bei einem Transformator, dessen Eisenkern einen Luftspalt aufweist, wird ein größerer Wechselstrom
zur Magnetisierung des Eisenkerns benötigt, jedoch können sich bei Überlagerung einer Gleichstromkomponente
keine so hohen Spitzenwerte des Magnetisierungsstromes ausbilden wie bei Transformatoren,
deren Eisenkern keinen Luftspalt aufweist. Die genannten Maßnahmen sind jedoch kostenaufwendig
und bieten keine ausreichende Sicherheit
Bei dem aus der DE-OS 2146 901 bekannten
Wechselrichter wird eine Sättigung des Eisenkerns des Wechselrichtertransformators durch eine magnetisch
empfindliche Einrichtung zur Überwachung der Magnetfiußzustände der Halbwellen der Ausgangswechselspannung
des Wechselrichtertransformators verhindert. Die Einrichtung erzeugt ein Ausgangssigaal entsprechend
dem Magnetflußgleichgewicht, in alternierenden Halbwellen, welches die Steuereinrichtung des Wechselrichters
beeinflußt Als Meßsonde für den Magnetflußzustand im Wechselrichtertransformator ist ein
schmaler, C-förmiger Eisenkern mit einer Wicklung vorgesehen, der einen schlitzförmigen, gestuften Luftspalt
im Eisenkern des Wechselrichtertransformators derart überbrückt daß dieser Luftspalt relativ frei vom
Magnetfluß ist wenn nicht am Ende einer Hystereseschleife eine Sättigung bevorsteht. Sobald die Magnetflüsse
in alternierenden Halbwellen der Ausgangsspannung des Wechselrichters ungleich werden und eine
mögliche Sättigung des Kernes anzeigen, gibt die Wicklung der Meßsonde ein Signal als Zeichen der
Unausgeglichenheit ab. Dieses Signal beeinflußt die Steuereinrichtung des Wechselrichters derart, daß die
Größe der die Sättigung bewirkenden einen Spannungszeitflächen der einen Wechselspannungshalbwellen
vermindert und die Spannungszeitflächen der anderen Wechselspannungshalbwellen vergrößert werden. Bei
dieser bekannten Anordnung ist somit eine meßtechnisch aufwendige Erfassung des Magnetflußzustandes
im Eisenkern des Wechselrichtertransformators vorgesehen, der zu diesem Zweck mit einem Luftspalt mit
einer bestimmten geometrischen Form versehen ist die mit extrem hoher Genauigkeit eingehalten werden muß.
Durch diesen Luftspalt werden jedoch die magnetischen Eigenschaften des Wechselrichtertransformators verschlechtert
Die Unausgeglichenheit von alternierenden Halbwellen kann erst nach Ablauf von wenigstens zwei
aufeinanderfolgenden Halbwellen festgestellt werden. Die Auswirkung eines entsprechenden Signals erstreckt
sich über mehrere Perioden der Wechselrichterausgangsspannung. Hierdurch läßt sich zwar eine allmählich
auftretende Veränderung der Steuerung des Wechselrichters kompensieren, nicht aber eine Sättigung
des Eisenkernes des Wechselrichtertransformators bei dynamischen Vorgängen zuverlässig verhindern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die eine Sättigung
des Transformatorkerns von Wechselrichtertransformatcren auch bei dynamischen Vorgängen zuverlässig
verhindert, und die mit einfachen meßtechnischen Mitteln arbeitet und keinen speziell ausgeführten
Luftspalt im Transformatorkern erfordert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Meßeinrichtung als Einrichtung zur betra gsmäßigen
Erfassung und Differenzierung des Magnetisierungsstromes des Eisenkerns des Wechselrichtertransformators
ausgebildet ist und daß die Beeinflussung der Steuereinrichtung des Wechselrichters in Abhängigkeit
vom Differentialquotienten des Magnetisierungsstromes in der V/eise vorgesehen ist, daß durch den beim
Beginn der Sättigung auftretenden stark erhöhten Differentialquotienlen die jeweils am Wechselrichtertransformator
anliegende Spannungshalbwelle momentan vorzeitig beendet wird.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird zur Verhinderung der Sättigung des Transformatorkerns
kein Luftspalt im Kern benötigt. Die Ausbildung von unzulässig großen Magnetisierungsstromspitzen wird durch eine meßtechnisch einfache
Stromerfassung und einen sofort wirksamen Eingriff in die Steuerung des Wechselrichters verhindert
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die beim Beginn der Sättigung ausgelöste momentane
vorzeitige Beendigung der jeweils am Wechselrichtertransformator anliegenden Spannungshalbwelle durch
eine vorzeitige Einleitung der nächstfolgenden Kommutierung des Wechselrichters erfolgt Hierzu kann bei
einem spannungsgeregelten Wechselrichter eine Aufschaltung des Differentialquotienten des Betrags des
Magnetisierungsstromes bei der Spannungsregelung in der Steuereinrichtung des Wechselrichters vorgesehen
sein. Dies kann dadurch geschehen, daß der Vergleichspunkt für den Sollwert-Istwert-Vergleich bei der
Spannungsregelung zusätzlich über ein Differenzier-
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