DE2628969A1

DE2628969A1 - Bipolarer inverter

Info

Publication number: DE2628969A1
Application number: DE19762628969
Authority: DE
Inventors: David James Gritter; George Henry Studtmann
Original assignee: Borg Warner Corp
Current assignee: Borg Warner Corp
Priority date: 1975-06-27
Filing date: 1976-06-28
Publication date: 1976-12-30
Also published as: GB1532037A; FR2315794B1; NL7606708A; FR2315794A1; AU1464376A; IT1061181B; JPS6127989B2; CH617549A5; JPS525422A; SE440168B; DE2628969C2; SE7606594L; AU500600B2

Description

Bip_qlarer Inverter

Die Erfindung betrifft einen bipolaren Inverter, der unabhängig von der Polarität der speisenden Potentialdifferenz, die an zwei Leiterschienen gelegt wird, Energie einem Lastwiderstand zuführen kann.

In letzter Zeit wurde verhältnismäßig viel an Induktionsmaschinen gearbeitet, die zusammen mit einem statischen Inverter betrieben werden. Es hat sich herausgestellt, daß ein Schaltkreis, der einem statischen Inverter ähnelt, an den Ausgang einer Induktionsmaschine angekoppelt werden kann. Wenn diese Maschine als Genera-, tor betrieben wird, arbeitet der "Inverter" als Schalter, der _: die reaktive Energie von einer Phasenwicklung der Induktionsmaschine auf die andere umleitet. Auf diese Weise ersetzt der Schalter (der Inverter) die getrennte Erregermaschine bzw. die bisher verwendete Kondensatorbatterie. Nach diesem ersten Schritt wurde gefunden, daß die Sehaltfrequenz der Thyristoren im Inverter mo-

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duliert werden konnte bezüglich der Referenz- oder Synchronfrequenz, bei der die Induktionsmaschine betrieben wurde. Auf diese Weise wurde eine Wechselspannung am Ausgang (mit einem Gleichspannungsanteil) erzeugt. Bei der Verwirklichung dieses modulierten Induktionsmaschinensystems hat sich herausgestellt, daß die Maschine eine schlechtere Leistung lieferte. Dies beruht darauf, daß die effektive Wechselspannungs-Rechteckausgangsspannung ungefähr halb so groß ist, wenn das System moduliert ist, als sie von der Maschine geliefert wird.

Es ist deshalb eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein moduliertes Induktionsmaschinensystem zu schaffen, das eine beträchtlich verbesserte Wirksamkeit bzw. Ausnutzung der vom Generator gelieferten Leistung aufweist.

Bei einem solchen verbesserten System soll die Wechselspannung am Ausgang keinen Gleichstromanteil besitzen.

Der Inverter, der zusammen mit der Induktionsmaschine verwendet werden soll, soll mit Gleichspannungen beider Polarität oder mit Wechselspannung gespeist werden können.

Ein solcher verbesserter bipolarer Inverter soll bei der Wechselstrom-Wechselstrom-Umwandlung auf dem Weg einer heterodynen Frequeas-Umwandlung verwendet, werden.

Der verbesserte Inverter soll die Rückspeisung oder Regeneration

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der Energie zu einer Wechselstromquelle über eine Thyristorenbrücke vereinfachen.

Außerdem soll ein komplementärer Kommutationskreis für den bipola- _: ren Inverter oder Leistungsumwandler geschaffen werden.

: Der komplementäre Kommutationskreis soll eine verringerte Anzahl _! von Thyristoren verglichen mit Hilfskommutationskreisen und eine vereinfachte Logik zur Einschaltung der Thyristoren verglichen _: mit den Steuereinrichtungen für Hilfskommutationskreise aufweisen.

Die oben geschilderte Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 beschriebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen erläutert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen i mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen: i

Fig. 1 ein Blockdiagramm, z.T. schematisch; j Fig. 2-5 graphische Darstellung zur Erläuterung bekannter

Einrichtungen;

Fig. 6 ein vereinfachtes Schaltbild eines bipolaren Inverters, der mit einer Wechselspannung gespeist wird;

Fig. 7 ein Blockdiagramm, teilweise schematisch, einer

modulierten Induktionsmaschine zusammen mit einem

bipolaren Inverter;

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Fig. 7A eine graphische Darstellung zum Verständnis der

Wirkungsweise des in Fig. 7 gezeigten Systems;

Fig. 8 ein vereinfachtes Schaltbild von einem Fuß eines

bipolaren Inverters, der umgekehrt-parallel gekoppelte Thyristoren enthält;

Fig. 9 ein vereinfachtes, schematisches Schaltbild eines

weiteren bipolaren Inverters, der Diodenbrücken verwendet, wobei Thyristoren mit jeder Brücke verbunden sind;

Fig. Io ein schematisches Schaltbild eines Leistungsschalters, der allgemeiner in Fig. 9 gezeigt ist;

Fig. loA eine vereinfachte Darstellung eines dreiphasigen

modulierten Generatorsystems, bei dem drei Induktionsmaschinen verwendet werden;

Fig. loB ein vereinfachtes Schaltbild eines einphasigen Sy-

dem
stems, bei/ein Generator verwendet wird, dessen

Wicklung in der Mitte angezapft ist;

Fig. loC ein vereinfachtes Schaltbild eines dreiphasigen

Systems, bei dem drei Generatoren verwendet werden, deren Wicklung jeweils an der Mitte angezapft ist;

Fig. 11 ein vereinfachtes schematisches Schaltbild einer

herkömmlichen Anordnung zur Rückführung von Energie aus einem bekannten Inverter zu einer Wechselstromquelle;

Fig. 12 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Systems mit

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einem bipolaren Inverter zur Rückführung von Energie zu einer Wechselstromquelle;

Fig. 13 ein vereinfachtes Blockdiagramra, das einen bipolaren Inverter zeigt, der bei einer V7echselstromquelle in einem heterodynen Frequenzurrwandlungssystein verwendet wird;

Fig. 14 eine vereinfachte Darstellung eines dreiphasigen

bipolaren Inverters, der an einer einphasigen Quelle arbeitet;

Fig. 15 ein vereinfachtes Schaltbild eines bipolaren Wandlers, der einen Lastwiderstand mit Wechselstrom speist, unabhängig von der Polarität der Speisepotentialdifferenz, die an den Umwandler gelegt wird;

Fig. 16 ein ochernatisehes Schaltbild von einem Fuß eines

Wandlers, der allgemeiner in Fig. 15 gezeigt ist und den komplementären Kommutationskreis gemäß der vorliegenden Erfindung enthält;

Fig. 17 einen schematischen Schaltkreis eines Dioden-Dämp-

fungskreises_/der bei der vorliegenden Erfindung verwendet v/erden kann.

Cs ist bekannt, daß eine Induktionsmaschine als Generator betrieben -./erden kann. Anstelle einer Kondensatorbatterie oder einer getrennten Maschine kann ein Schalter mit der Induktionsmaschine verbunden werden, welcher die Reaktionsenergie rezirkuliert. Ein

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ORIGINAL INSPECTED

solches System ist im US-Patent 3 8 29 758 beschrieben. Danach hat sich herausgestellt, daß die S ehalt frequenz ira Schalter selbst moduliert werden kann, und zwar in einen Bereich überhalb und unterhalb der Synchronfrequenz der tlaschine. Auf diese Weise wird eine Ausgangsv/echselspannung erzeugt, die eine Funktion der modulierenden Eingangsspannung ist. Um einen Ausgangspunkt für die Erläuterung der vorliegenden Erfindung zu erhalten, v/erden die Verhältnisse bei einem solchen modulierten Induktionsraaschinensystera kurz rekapituliert.

In Fig. 1 ist eine einphasige Anordnung zur Speisung einer Induktionsmaschine 2o gezeigt, die über eine Welle 21 angetrieben wird und eine Last 22 speist. Der vollständige Brückeninverter enthält die Leiter 23,24 und die Thyristoren 25,26,27,28. Die Dioden 3o, 31,32,33 sind so angeschlossen, wie dargestellt. Sie leiten und bilden einen Weg für die Reaktionsenergie, wenn der jeweils benachbarte Thyristor abgeschaltet ist. D.h., wenn der Thyristor 25 angeschaltet ist, fließt bei Kommutation des Thyristors (durch einen nicht gezeigten aber wohl bekannten und gut verstandenen Schaltkreis) der reaktive Laststrom anfänglich über die Diode 31. Die^e Wirkungsweise ist ebenfalls wohlbekannt und verstanden. Ein Filterkondensator 34 am Ausgang ist zwischen die Leiter 23 und 24 und den Lastwiderstand 22 geschaltet. Dieser besitzt eine Widerstandskomponente 35 und eine induktive Komponente 36 und ist zwischen dieselben Leiter geschaltet.

Ein logischer Kreis 37 ist angeschlossen, der getrennte Tor- oder

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Anschaltsignale an seinen vier individuellen Ausgangsleitern führt. Diese werden an bestimmte Thyristoren 25 - 28 als Funktion von Taktsignalen angelegt, die über die Leitung 38 vom Oszillator 4o empfangen werden. Jede einzelne Ausgangsleitung vom Logikkreis kann natürlich aus zwei Leitungen bestehen, über die das Torsignal zwischen Tor und Kathode von jedem Thyristor angelegt wird. Der Fachmann weiß natürlich, daß auch andere Schalter, z.B. Leistungstransistoren, Thyratrone, Ignitrone oder andere schaltende Bauteile verwendet werden können. Der Oszillator Ao empfängt eh Modulationsignal, das mit 41 bezeichnet ist, vom Modulator 43 über eine Leitung 4 2. Ein Startkreis, der einen Schalter 44 und eine Batterie 45 enthält, ist vorgesehen, falls er beim Starten des Systems benötigt wird. Dies ist in einer gleichzeitig anhängigen Anmeldung und dem oben genannten Patent näher beschrieben.

Die Frequenz des Modulationssignals 41 wird bei einem bestimmten viert konstant gehalten. Das Modulationssignal variiert die Schaltfrequenz des Inverters in einem Bereich oberhalb und unterhäb einer bestimmten Mittelfrequenz. Die Variationsfrequenz ist gleich der Modulationsfrequenz; die Größe der Frequenzabweichung ist proportional zur Amplitude des Modulationssignals. Dies führt im Ergebnis dazu, daß die Generatorausgangsspannung sich in einer Weise aufbaut und abbaut, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Die Ausgangs- \ spannung am Inverter ist in Fig. 3 gezeigt. Um eine Wechselspannung ohne Gleichstromanteil zu erhalten, muß der Gleichstromanteil durch eine weitere Einrichtung, im allgemeinen durch einen großen Kondensator, entfernt werden.

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^:Ein weiterer Nachteil des beschriebenen Systems besteht darin,
daß die Ausnutzung des Generators verhältnismäßig unwirksam erfolgt. Fig. 4 zeigt beispielsweise die ungefilterte Ausgangsspannung an
den Gleichspannungsanschlussen des Inverters, wenn er zusammen mit einer Induktionsmaschine verwendet werden soll. Die Ausgangsspannung der Induktionsmaschine sei eine Rechteckwelle der Amplitude
E. Nach Entfernen der Gleichspannungskomponente ist die Ausgangsspannung so, wie in Fig.5 gezeigt. Wie dort dargestellt, ist die
Amplitude der Rechteckwelle auf E/2 reduziert. Wenn eine Widerstandslast, die einen Strom I zieht, aus dem als normalem Generator arbeitenden Generatocgespeist würde, würde eine Rechteckstromwelle fließen; es würde sich eine Ausgangsleistung von E χ Ι ergeben. Wenn der Generator im modulierten System verwendet wird,
sind Ausgangsstrom und Generatorstrom identisch. Der Strom I, der vom Generator fließt, würde also in den Lastwiderstand fließen;
da jedoch, wie in Fig. 5 gezeigt, die Ausgangsspannung nur E/2 ist, ergäbe sich eine Verringerung der Wechselstromausgangsleistung von_: ; 2:1.Diese verschlechterte oder weniger wirksame Verwendung des j [Generators ergibt sich immer, wenn das modulierte System einen I

j . j

herkömmlichen Inverter verwendet, bei dem nur eine Spannung mit \

ι i

einer Polarität angelegt werden kann. j

Die Nachteile des modulierten Induktionsmaschinensystems, das mit herkömmlichen Invertern verwendet wird, können durch Verwendung
eines bipolaren Inverters (BPI) beseitigt werden. Der Ausdruck
"bipolar", wie er hier verwendet wird, soll einen Schalter bezeich

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nen, der einem Lastwiderstand einen Ausgangswechselstrom zuführen kann, wenn er von einer Gleichspannung beider Polaritäten oder von einer Wechselspannung am Eingang gespeist wird. Eine vereinfachte Anordnung eines solchen Inverters ist in Fig. 6 gezeigt.

Die Thyristoren oder anderen Schalterbauelemente sind dort durch vier mechanische Schalter 55, 56, 57 und 58 dargestellt. Zu Zwekken der Beschreibung wird beim Schließen irgendeines Schalters ein Stromweg durch den Schalter geschlossen, unabhängig von der Polarität der anliegenden Spannung. Ein Lastwiderstand 6o enthält eine induktive Komponente 61 und eine Widerstandskomponente 6 2, die,wie dargestellt, verbunden sind. Eine Wechselspannungsquelle 6 3 ist vorgesehen und an die Leiter 64,65 angekoppelt. Mit diesen ^: Leitungen sind die Schalter verbunden. Diese BPI-Anordnung kann : Strom durch den Lastwiderstand in beiden Richtungen durch Schließen der geeigneten Schalter schicken. Sie kann dies mit Spannungen beir der Polarität an ihren Eingangsklemmen.

Es sei z.B. angenommen, daß der Strom von einer positiveren Poten tialebene zu einer weniger positiven Potentialebene fließt. Es sei weiter angenommen, daß das Potential auf dem Leiter 64 bezüglich ι dem Potential auf dem Leiter 65 positiv ist. Wenn die Schalter 55,1 j 58 geschlossen sind, fließt Strom über den Schalter 55, durch die ι j Last und den Schalter 58. Wenn die Schalter 55,58 nun geöffnet werden und die Schalter 56,57 geschlossen werden, wobei die Poten-

tialdifferenz dieselbe bleibt, fließt der Strom anfänglich weiter j

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-loin derselben Richtung durch die Last, bis die induktive Energie verbraucht ist. Der Strom baut sich dann in der Rückwärtsrichtung durch die Last auf. Auf diese Weise wird die Stromrichtung durch die Last dadurch kontrolliert, welches Schalterpaar geschlossen ist. Dies gilt auch, wenn das Potential auf dem Leiter 65 positiver ist als das Potential auf dem Leiter 64.

Es gibt verschiedene Sehaltungsanordnungen, mit denen der allgemein in Fig. 6 gezeigte bipolare Inverter verwirklicht werden kann. Z.B. kann jeder Schalter 55 - 58 ein Triac oder ein ähnlicher Schalter sein, der Strom in beiden Richtungen führen kann, wenn er von einem Torimpuls getriggert wird. Wenn für jeden Schalter 55 - 58 ein Triac benutzt wird, kann jedes Paar SCR-Diode (z.B. 25,3o) in Fig. 1 durch einen Thyristor 55 - 58 ersetzt werden, wodurch sich das in Fig. 7 gezeigte einphasige System ergibt. Der Kommutationskreis ist weggelassen; der Fachmann versteht ohne : weiteres, wie dieser Kreis angeschlossen und betrieben wird, um ^! die Triacs anzusteuern. Bei diesem System wird der Generator mit \ voller Leistung ausgenutzt, da die Ausgangsspannung E anstelle ;

ι von E/2 beträgt. j

Es gibt alternative Sehaltungsanordnungen, mit denen die allgemein in Fig. 6 und spezieller zusammen mit einer Induktionsmaschine in | Fig. 7 dargestellte bipolare Inverteranordnung verwirklicht werden kann. Wenn silikongeregelte Gleichrichter (SCR) anstelle von Triacs verwendet werden, ergibt sich z.B. der in Fig. 8 gezeigte

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Schaltkreis. Wie dort dargestellt, ist der Generator 7o so angeschlossen, daß er Wechselstrom über die Speiseleiter 71,72 einem Fuß des Inverters zuführt. Dieser Fuß könnte das Äquivalent der Schalter 55,56 in den Fig. 6, 7 sein. In Fig. 8 enthält der Fuß ein erstes Paar umgekehrt-paralleler Thyristoren 7 3,74, die so geschaltet, wie dargestellt, einen Schalter 75 bilden. Ein weiteres Paar umgekehrt-paralleler Thyristoren 76,77 bildet einen weiteren Schalter 78. Die Schalter 75,78 sind in Serie zwischen die Leiter 71,72 gelegt. Ein Kommutationskreis 8o ist mit dem gemeinsamen Punkt 81 verbunden; an denselben Punkt des Schaltkreises ist ein zur^ast führender Leiter 82 angeschlossen. Der Kommutatorkreis wird dazu verwendet, jeweils einen Thyristor abzuschalten, bevor ein Torsignal an den anderen gelegt wird. Wenn z.B. der Thyristor 7 3 im Schalter 75 leitet, so daß der Strom vom Leiter 71 über den Thyristor 7 3 und über den Leiter 8 2 zur Last fließt, wird der Kommutatorkreis betätigt und schaltet den Thyristor 73

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ab, bevor der Thyristor oder einer der Thyristoren 76,77 mit eineni

Torsignal beschickt wird. !

Fig. 9 zeigt einen anderen Schaltkreis zur Verwirklichung der grundlegenden Schaltungsanordnung, die anhand der Fig. 6 erläutert, wurde. In Fig. 9 ist ein Paar von Schalterkreisen 8 3,84 in Serie zwischen die Versorgungsleiter 71,72 geschaltet. Jeder Schalterkreis enthält eine Diodenbrücke und einen Thyristor. Im oberen Schalterkreis 8 3 sind z.B. vier Dioden 85 - 88 in der üblichen i Brückenanordnung geschaltet; ein Thyristor 9o, der ein SCR sein

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kann, ist über die normalen Ausgangsanschlüsse der Diodenbrücke geschaltet. Zusätzlich ist ein Kommutatorkreis 91 dargestellt, der mit dem Thyristorkreis verbunden ist und die Kommutation dieses Thyristors, wenn gewünscht, bewirkt. In ähnlicher Weise enthält der untere Schalterkreis 84 vier Dioden 92 - 95, die in Brückenanordnung geschaltet sind, wobei ein Thyristor 96 über die normalen Ausgangsanschlüsse geschaltet ist. Ein Kommutatorkreis 97 ist angeschlossen, der den Thyristor 96 ausschaltet, wenn er aktiviert wird.

Wenn der Thyristor 9o leitet, kann offensichtlich Strom vom Leiter 71 durch den oberen Schalter 83 zum Lastleiter 8 2 oder vom Lastleiter 82 nach oben durch den Schalterkreis 8 3 zum Leiter 71 fließen. Wie bei der Anordnung von Fig. 8 wird der obere Schalter 8 3 in Fig. 9 angeschaltet, bevor der Thyristor 96 in der unteren Schalteranordnung 84 einen Torimpuls empfängt. Natürlich wird der Schalter 84 abgeschaltet, bevor der Schalter 83 wieder einen Torimpuls empfängt. Bei den Schaltkreisen von Fig. 8 als auch von Fig. 9 kann die Spannung von der Versorgungseinheit 7o beide Po- \ laritäten aufweisen. Die Energie kann in beiden Richtungen - zur j Last oder von der Last weg - mit diesen beiden verschiedenen Po- j

laritäten auf den Leitern 71,72 geführt werden. Diese beiden An- | Ordnungen können also den Wirkungsgrad des modulierten Induktions-r maschinensysteras erhöhen, wie dies oben anhand von Fig. 6 beschri4-

ben wurde. j

Fig. Io zeigt den oberen Schalterkreis 83 von Fig. 9 zusammen mit j

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Details der Schaltung des Kommutatorkreises 91. Wie dort dargestellt, ist ein Kommutationsinduktor in Reihe mit dem Thyristor 9o geschaltet. Alle Komponenten mit Bezugszahlen zwischen loo und Io6 sind Teile des Kommutatorkreises 91. Diese Bauteile enthalten eine Serienschaltung aus einem Kondensator loo, dem Induktor lol, und einem Hilfsthyristor Io2. Diese Serienschaltung ist parallel zum Thyristor 9o geschaltet. Eine Diode Io3 ist parallel zum Hilfsthyristor Io2, wie dargestellt, geschaltet. Zusätzlich enthält der Kommutatorkreis eine zweite Reihenschaltung aus einem Widerstand Io4, einer Diode Io5 und einer Batterie oder einer äußeren Spannungsquelle Io6. Diese zweite Reihenschaltung ist ebenfalls parallel zum Thyristor 9o geschaltet.

Es sei angenommen, daß anfänglich im Betrieb die Quelle 7o ein Potential auf dem Leiter 71 bereitstellt, das bezüglich demjenigen auf den Leiter 8 2 positiv ist; der Thyristor 9o soll noch nicht einen Torimpuls erhalten haben. Zur anfänglichen Aufladung des Kondensators loo erhält der Hilfsthyristor Io2 einen Torimpuls und schließt dabei den Stromweg vom Leiter 71 über die Diode 85, den Induktor 98, den Kondensator loo, den Induktor lol, den Hilfsthyristor Io2, dia Diode 86 und den Leiter 8 2 zur Last. Dies lädt den Kondensator mit einer Spannung, die durch das Plus- und Minuszeichen oberhalb des Kondensators angedeutet ist. Die HiIfsspannungsVersorgung Io6 kann auch den Kondensator loo aufladen und den Ladevorgang aus der Hauptspannungsquelle unterstützen, wenn die Hauptspannung gering ist, oder bei Betrieb ohne Last.

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Nach diesem Aufladen entlädt sich beim ersten Einschalten des Thyristors 9o der Kondensator loo über den Kreis, der den Thyristor 9o_f die Diode Io3 und den Induktor lol enthält, zurück zur anderen Platte des Kondensators loo. Auf diese Weise ergibt sich an dem Kondensator eine Ladung mit der Polarität, wie sie unterhalb des Kondensators angedeutet ist. Wenn der Thyristor 9o ausgeschaltet werden soll, empfängt der Hilfsthyristor Io2 einen Torimpuls; der Kondensator loo entlädt sich über die Schleife, welche den Induktor loo, den Hilfsthyristor Io2 und anfänglich die Rückwärtsrichtung des Thyristors 9o enthält, zur anderen Seite des Kondensators loo. Wenn der Thyristor 9o den Fluß des Rückwärtsstromes unterbricht, leitet der Kommutationsimpuls auf den Weg über, der von den Dioden 85,88,86,87 gebildet wird. Der Kondensator loo wird dann mit der Polarität wieder aufgeladen, die oberhalb des Kondensators angegeben ist. Während eines Teils der Zeit, in der die Dioden 85,88 und 86,87 leiten, spannt die am Induktor 98 entwickelte Spannung den Hauptthyristor 9o rückwärts vor; dies ist zur Kleinhaltung der Abschaltzeit der Vorrichtung wünschenswert. Wenn der Thyristor 9o das nächstemal einen Torimpuls erhält, wird die Polarität der Ladung auf dem Kondensator loo wiederum umgekehrt, wodurch der Kreis für den nächsten Kommutationsζyklus vor-_: bereitet wird.

Wenn der Kondensator loo nicht auf einen ausreichend hohen Wert aufgeladen wird? bei dem die Kommutation des anfänglichen Zyklus bewirkt wird, wird die Hilfsquelle Io6 verwendete Sie liefert ; dann die erforderliche Energie zur Kommutation. D.h., wenn der

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HiIfsthyristor Io2 einen Torimpuls empfängt, wird ein Ladeweg für den Kondensator loo geschlossen. Dieser Weg verläuft von der Batterie Io6 über die Diode Io5, den Widerstand Io4, den Kondensator loo, den Induktor lol und den Hilfsthyristor Io2 zurück zur anderen Seite der Batterie I06. Dies vervollständigt die anfängliche Ladung des Kondensators loo, wie zuvor beschrieben. Beim ersten Anschalten des Thyristors 9o wird die Ladung am Kondensator umgekehrt, wodurch die Kommutation auf normale Weise bewirkt wird. Wenn die Betriebsspannung an den Versorgungsleitern auf einen zu geringen Wert abfällt, um jederzeit die Kommutation zu bewirken, dann wird die notwendige Ladung von der Batterie I06 über den soeben beschriebenen Kreis geliefert. Gegenwärtig wird die allgemeine Inverteranordnung, die in Fig. 9 gezeigt ist, und die in den Fig. lo,16 gezeigten Kommutatorkreise für am geeignetsten zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung gehalten.

Bevor der· komplementäre Kommutatorkreis betrachtet wird, ist es !hilfreich, den allgemeinen bipolaren Inverterkreis anzusprechen,

jder in Fig. 15 gezeigt ist. Die Quelle der Potentialdifferenz |muß eine Wechselspannungsquelle in einem solchen System sein. Die

Quelle 2o ist jedoch allgemeiner dargestellt, da der Leistungskonversionskreis mit einem komplementären Kommutatorkreis auch bei anderen Anordnungen als bei einer WechseIstrom-Wechselstrom-Konvers ions anordnung verwendet werden kann. Wie dargestellt, wird eine Potentialdifferenz von der Quelle 2o über die Leiterschienen 21,22 an eine Leistungskonversionsaordnung gelegt. Diese enthält vier Leistungsschalter 23,24,25,26. Die beiden Leistungsschalter - -- - 16 - -

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23,26 sind an einem gemeinsamen Anschluß bzw. an einer Verbindungsstelle mit der Last 27 zusammengeschaltet. In ähnlicher Weise sind die anderen Leistungsschalter 25,24 an einer gemeinsamen Klemme 28 zusammen ges ehaltet, welche einen v/eiteren Verbindungspunkt für die Last bildet. Die Induktionsmaschine 3o empfängt über die Leitung 31 und 32 von den Lastanschlussen 27,28 des Leistungskonver-

sionskreises Energie. Wenn die Leistungsschalter 23-26 echte Schalsind,
ter in dem Sinn /daß sie Energie in beiden Richtungen führen können, ist offensichtlich, daß eine Wechselspannung von der Quelle 2o von diesen Leistungsschaltern so geschaltet werden kann, daß sich eine vJechselspannung mit verschiedener Frequenz an den Leitern 31,32 ergibt. Mit dieser kann die Induktionsmaschine oder irgendeine andere Wechselstromlast betrieben werden. Wenn jedoch ein Induktionsmotor angetrieben wird, wenn die Quelle 2o eine Wechselspannung mit einer ersten Frequenz liefert und die Leistungsschalter 23 - 26 mit einer anderen Frequenz geschaltet werden, ,,sehen die Wicklungen der Induktionsmaschine sowohl die Suininenfrequenz als auch die Differenzfrequenz zusätzlich zur Fundamentalfrequenz. Da die Differenzfrequenz sehr viel geringer liegt, kann die Induktionsmaschine als Motor bei dieser geringeren Frequenz betrieben werden. Die Energie bei den verhältnismäßig höheren Frequenzen hat nur geringen Effekt auf die Arbeitsweise der Maschine. Das Schalten der Leistungsschalter wird durch Impulse geregelt, die von einem Kreis 33 mit Oszillator und Logik angelegt werden. Dies ist dem Fachmann wohl bekannt. Der Kreis 33 mit Oszillator und Logik ist nur allgemein dargestellt; er stellt eine Einrichtung dar, welche Torimpulse an die einzelnen Leistungsschalter

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bis 26 anlegt. Wenn die Leistungsschalter in echt symmetrischer Anordnung geschaltet werden sollen, müssen die Leistungsschalter selbst Strom in beiden Richtungen führen können bzw. Spannung mit beiden Polaritäten unterbrechen können. Sie müssen bei all diesen Zuständen angeschaltet bzw. abgeschaltet werden können. Bei der in Fig. 15 gezeigten Anordnung ist angenommen, daß der Schalter 26 des Kreises ausgeschaltet ist, wenn der Leistungsschalter 23 im selben Fuß eingeschaltet ist," und umgekehrt. Es würde daher eine Einsparung an Leistungsbauteilen mit sich bringen und zusätzlich den logischen Kreis 33 vereinfachen, wenn der Leistungsschalter 23 automatisch abgeschaltet werden könnte, wenn der andere Schalter 26 im selben Fuß durchgesteuert wird.

Zu Zwecken der vorliegenden Erläuterung sei angenommen, daß der Leisbungskonversionskreis, der die Leistungsschalter 23 - 26 enthält, zv/ei Füße, nämlich den Fuß 23, 26 und den anderen Fuß 25, 24 enthält. Der Fachmann weiß natürlich, daß noch ein weiterer Fuß vorgesehen sein kann und ein weiterer Lastleiter zugefügt sein kann, wodurch sich eine dreiphasige Wirkungsweise aus einer einfachen Quelle 2o ergibt.

Fig. 16 zeigt einen Fuß des Leisfcungskonversionskreises, der die Leistungsschalter 23 und 26 enthält. Diese waren allgemeiner in Fig. 15 dargestellt. Fig. 16 zeigt, wie diese Schalter zwischen die Leiterschienen 21,22 gekoppelt sind. Zwischen den Leistungsschaltern befindet sich der Lastanschluß 27, mit den ein Lastleiter 31 verbunden ist. Ein Induktor 34 ist gezeigt, der in die Leitungs-

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schiene 21 eingefügt ist. Der Induktor 34 ist kein Teil der Erfindung; er ist zur Verwirklichung und zum Betrieb der Erfindung nicht notwendig.

Der erste Leistungsschalter 23 ist zwischen der Leiterschiene 21 und dera Lastanschluß 27 geschaltet. Ein Teil des Leistungsschalters enthält eine Diode oder ein Gleichrichterbrücke mit zwei Lastanschlüssen 35,36 und zwei Schaltanschlüssen 37,33. Der Leistungsschalter 23 umfaßt außerdem vier Dioden 4o - 43. Wenn diese.wie gezeigt, angeschlossen sind, führen sie Strom zwischen den Lastanschlüssen 35,36 , wenn ein Gleichstromkreis zwischen den Schaltanschlüssen 37,38 geschlossen wird. Dieser erste Leistungsschalter besitzt außerdem einen Thyristor 44, der zwischen die Schaltanschlüsse 37,38 gelegt ist und einen solchen Gleichstromkreis schließt, wenn der Thyristor 44 einen Torimpuls empfängt.

In ähnlicher Weise ist der zweite Leistungsschalter 26 zwischen den Lastverbindungspunkt 27 und die andere Leiterschiene 22 gelegt. Der Leistungsschalter 26 enthält zwei Lastanschlüsse 45,46 und zwei Schaltanschlüsse 47,43. Vier Dioden 5o - 53 sind im Leistungsschalter 26 so angeschlossen, daß diese den Strom zwischen den Lastanschlüssen 45,46 leiten, wenn ein Gleichstromkreis zwischen den Schaltanschlüssen 47,43 geschlossen wird. Zu diesem Zweck ist ein zweiter Thyristor 54, wie dargestellt^zwischen die Schaltanschlüsse 47,43 gelegt, der einen solchen Gleichstroinweg schließt, wenn der Thyristor 54 einen Torimpuls empfängt. Natürlich müssen

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in Wirklichkeit keine physikalischen "Anschlüsse", wie die Lastanschlüsse 45,46 und die Schaltanschlüsse 47,48, vorhanden sein, wenn die Gleichrichterbrücke als einzige integrierte Schaltung oder in anderer Anordnung ausgeführt ist. Diese Terminologie ist jedoch zu Beschreibungszwecken und zur Beanspruchung der Erfindung nützlich.

Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält der Fuß des Leitungskon-Versionskreises insbesondere einen komplementären Kommutationskreis. Der Kommutationskreis enthält einen ersten Induktor 6o, der zwischen den Schaltanschluß 37 und die Kathode des ersten Thyristors 44 im ersten Leistungsschalter gelegt ist. Es gibt einen gemeinsamen Anschluß 61 zwischen Induktor 6o und Thyristor 44. In ähnlicher Weise ist ein zweiter Induktor 6 2 des komplementären Kommutationskreises in Reihe mit dem zweiten Thyristor 54 zwischen die Schaltanschlüsse 47,48 im zweiten Leistungsschalter gelegt. Dabei gibt es einen gemeinsamen Anschluß 6 3 zwischen dem Induktor 6 2 und der Kathode des Thyristors 54. Der Kommutationskreis besitzt einen ersten Kondensator 64, der in Serie mit einem dritten Induktor 65 zwischen die Anschlüsse 61, 63 in den entsprechenden Leistungsschaltern gelegt ist. Ein zweiter Kondensator 66 ist zwischen den Schaltanschluß 38 im ersten Leistungsschalter und den entsprechenden Schaltanschluß 48 im zweiten Leistungsschalter gelegt. Die Induktoren 6o, 6 2 scheinen zwar in die Leistungsschalter geschaltet zu sein; es sei aber betont, daß diese Induk- : toren in Wirklichkeit Teil des komplementären Kommutationskreises

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sind. Außerdem wird zwar ein dritter Induktor 65 dargestellt und gegenwärtig (zum di/dt-Schutz) in der bestbekannten Ausführungsform der Erfindung verwendet; er ist jedoch für die Grundbauweise und die Verwirklichung der Erfindung nicht notwendig.

Es sei anfänglich angenommen, daß der Leistungskonversionskreis unter Strom steht und die Quelle 2o eine Potentialdifferenz liefert, die auf der Leiterschiene 21 bezüglich zum Potential auf der Leiterschiene 22 positiv ist. In der Praxis ist es durch die Schaltung in der logischen Anordnung 33 einfach, sicherzustellen, daß der Thyristor 44 im oberen Leistungsschalter anfänglich eingeschaltet ist und so den Kondensator 6 4 lädt. Wenn der Thyristor eingeschaltet ist, fließt Strom von der Leiterschiene 21 über die Diode 4o, den Thyristor 44, den Induktor 65, den Kondensator 64, den Induktor 6 2 und die Diode 51 zur Leiterschiene 22. Dies lädt den Kondensator 64 auf seiner oberen Platte, die dem Induktor 65 benachbart ist, bezüglich zum Potential auf der anderen Platte positiv auf. Auch wenn der Thyristor 44 nicht zur Aufladung des Kondens.ators anfänglich getriggert würde, wenn der Thyristor 44 anfänglich bereits eingeschaltet ist und Laststrom von der Leiterschiene über die Diode 4o, den Thyristor 44, den Induktor 6o, die Diode 41 und die Lastverbindungsstelle 27 zum Lastleiter führt, würde der oben beschriebene Weg zur Aufladung des Kondensator 64 geschlossen; der Kondensator wird also, wie beschrieben, geladen. Zu dieser Zeit gibt es keinen Ladeweg für den Kondensator 66.

Der zweite Thyristor 54 im zweiten Leistungsschalter 26 kann nun

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durch einen Impuls von dem logischen Kreis 3 3 gezündet werden. Dadurch wird dieser Leistungsschalter eingeschaltet und, durch den konnfementären Kominutationskreis, wird der erste Thyristor 44 ausgeschaltet· Wenn der Thyristor 54 eingeschaltet wird, schließt er einen Entladeweg für den. Kondensator 64. Anfänglich beginnt sich ein Entladestrom vom löndensator 64 aufzubauen und durch den Induktor 65, die Rückwärtsrichtung des Thyristors 44, den Kondensator 66 und den Thyristor 54 zur anderen Platte des Kondensators 64 zu entladen. Wenn sich die Amplitude des Entladestroms vom Kondensator 64 zu der Größe des Laststroms aufbaut, der fließt, wenn der Thyristor 54 angeschaltet ist, wird der Thyristor 44 ausgeschaltet. Der Entladeweg des Kondensators 64 verläuft durch den Induktor 65, den Induktor 6o, die Diode 41, die Diode 5o und den Thyristor 54 zur anderen Seite des Kondensators 64. In der Praxis besitzt der Induktor 65 eine geringe Induktivität; der Anstieg des Entladestroms ist daher rasch. Der leitende Thyristor 54 schließt außerdem einen Ladeweg für den Kondensator 66 von der Leiterschiene 21 über die Diode 4o, den Kondensator 66 , den Thyristor 54, den Induktor 6 2 und die Diode 51 zur anderen Leiterschiene 22. Der Kondensator 66 beginnt sich auf das Niveau der Schienenspannung aufzuladen. Wenn man also den Wert des Induktors 65, der verhältnismäßig klein ist, vernachlässigt, ist die Ausschaltspannung für den Thyristor 44 im wesentlichen gleich der Differenz zwischen den Spannungen über den Kondensatoren 64 und 66. Entsprechend endet die Ausschaltzeit des Thyristors 44 in dem Augenblick, in den die Spannungen über diesen beiden Kondensatoren einander gleich sind.

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Wenn die Spannung am Kondensator 66 die Schienenspannung erreicht hat, lädt sich dieser Kondensator nicht mehr auf. Wenn aufgrund des Ladestromes, der zuvor durch den Induktor 6 2 geflossen ist, eine Überschußenergie in diesen Induktor 6 2 gespeichert ist, läuft diese über die Dioden 51, 5 2 und den Thyristor 54 um, bis sie dissipiert ist. Im Induktor 6o fließt jedoch noch immer etwas Laststrom, auch wenn das Potential am Kondensator 64 sich umgekehrt hat. Diese Überschußenergie wird daher auf den Kondensator 64 als Überladung übertragen. Nach diesem Kommutationszyklus fließt dann der Laststrom aus der Last über den Leiter 31, die Diode 5o, den Thyristor 54, den Induktor 6 2 und die Diode 51 zur Leiterschiene 22. Der Kondensator 64 wird auf ein Potential an seiner unteren Platte aufgeladen, das bezüglich zum Potential auf der oberen Platte positiv ist. Der Kondensator 66 besitzt auf seiner oberen Platte ein Potential, das bezüglich zum Potential auf der unteren Platte positiv ist.

Nun leitet der Thyristor 54. Es sei angenommen, daß der Thyristor 54 ausgeschaltet und der Thyristor 44 eingeschaltet werden soll. Um dies zu erreichen, wird ein Torimpuls an den Thyristor 44 vo:a logischen Kreis 33 gelegt. Dieser schließt einen Entladeweg für einen Stromfluß von der oberen Platte des Kondensators 6 6 über den Thyristor 44, den Induktor 65, den Kondensator 64 und die Rückwärtsrichtung des Thyristors 54 zur anderen Seite des Kondensators 66. Sobald sich die Größe dieses Entladestroms zu der Größe des Laststromes aufbaut, wird der Thyristor 54 abgeschaltet.

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Der Entladestrom des Kondensators 66 fließt weiter über den Thyristor 44, den Induktor 6o und die Dioden 41, 5o zur anderen Seite des Kondensators 66, bis dieser Kondensator auf Spannung Null entladen ist. Der Kondensator 66 wird auf Spannung Null gehalten; er kann sich nicht in entgegengesetzter Richtungaufladen. Dieser Kondensator bewegt sich also nur zwischen der Schienenspannung und der Spannung Null Volt während der Kommutationszyklen. Während der Kondensator 66 entladen wird, wird auch der Kondensator 64 über einen Kreis entladen, der von der Leiterschiene 21 über die Diode 4o, den Thyristor 44, den Induktor 65, den Kondensator 64, den Induktor 62 und die Diode 51 zur Leiterschiene 22 verläuft. Der Kondensator 64 wird dann über denselben Kreis mit einer Spannung entgegengesetzter Polarität aufgeladen, wobei seine obere Platte gegenüber der unteren Platte positiv ist. Der Kreis ist nun also zurück in seinem vorherigen Zustand. Der Kondensator 64 ist so aufgeladen, daß seine obere Platte bezüglich zur unteren Platte positiv ist; der Kondensator 66 befindet sich auf der Spannung Null Volt. Ein Laststrom fließt von der Leiterschiene 21 über die Diode 4o, den Thyristor 44, den Induktor 6o, die Diode 41, den Lastverbindungspunkt 27 und den Lastleiter 31 zur Last.

Ein Induktor 34 kann in Reihe mit einem Zweig der Leiterschiene bei der praktischen Verwirklichung des Schaltkreises gelegt werden· Dies hat die Wirkung, daß die Ladegeschwindigkeit des Kondensators 66 verringert wird. Auf diese Weise wird eine längere Ausschaltzeit des Thyristors 44 sichergestellt. Eine kleinere Menge Energie

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wird im Induktor 6 2 gespeichert,, wenn der Kondensator 66 auf die Schienenspannung aufgeladen wird. Es ergibt sich eine kleinere Überladung des Kondensators 64 am Ende des Kommutationsintervalls für den Thyristor 54. Wenn der Induktor 34 eine Induktivität besitzt, die größenordnungsmäßig das Zehnfache der Induktivität der Induktoren 6o bzw. 6 2 beträgt, dann unterscheidet sich der KommutationsVorgang zum Abschalten des Thyristors 54 von dem, der bisher beschrieben wurde. Wenn der Thyristor 54 ausgeschaltet xvird, absorbiert der Induktor 34 die Schienenspannung, so daß die effektive Spannung zwischen den Leiterschienen Null wird. Dies führt dazu, daß sich der Entladeweg für den Kondensator 64 beim Abschalten des Thyristors 54 folgendermaßen ändert:

Der Thyristor 54 sei leitend. Es sei nun angenommen, daß der Thyristor 54 abgeschaltet werden und der Thyristor 44 angeschaltet werden soll. Genau wie zuvor wird ein Torimpuls an den Thyristor 44 vom logischen Kreis 33 gelegt. Dieses schließt einen Entladeweg für einen Stromfluß von der oberen Platte des Kondensators 66 durch den Thyristor 44, den Induktor 65 , den Kondensator 64 und die Rückwärtsrichtung des Thyristors 54 zur anderen Seite des Kondensators 66. Sobald sich dieser Entladestrom auf eine Größe aufbaut, die gleich der Größe des Laststroms ist, wird der Thyristor 54 abgeschaltet. Der Strom fließt über den Induktor 6 2 und die Dioden 51, 52 statt über den Thyristor 54. Der Entladestrom des Kondensators 66 fließt weiter, bis der Kondensator 66 auf die Spannung Null entladen ist. Der Kondensator 66 wird auf

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Spannung Null festgehalten; er kann sich nicht in der entgegengesetzten Richtung aufladen. Auf diese Weise bewegt sich der Kondensator nur zwischen der Schienenspannung und der Spannung Null bei den Kommutationszyklen. Nachdem die Spannung am Kondensator 6 6 festgehalten ist, fließt der Strom vom Kondensator 64 weiter von dessen unterer Platte durch den Induktor 6 2, die Diode 53, die Diode 4 2, den Thyristor 44 und den Induktor 65 zurück zur anderen Platte des Kondensators 64. Der Kondensator 64 lädt sich mit entgegengesetzter Polarität wieder auf, wobei die Spannung an 5er oberen Platte bezüglich der unteren Platte positiv ist. Der Kreis hat also zurück in seinen vorigen Zustand gefunden. Der Kondensator 64 ist an der oberen Platte bezüglich zur unteren Platte positiv geladen; der Kondensator 66 befindet sich auf Null Volt. Ein Laststrom fließt von der Leiterschiene 21 über die Diode 4o, den Thyristor 44, den Induktor 6o, die Diode41, den Lastverbindungspunkt 27 und den Lastleiter 31 zur Last.

Vionn sich also der Induktor 34 in der Leiterschiene befindet, steuert die Quelle während des Kommutationsintervalls für den Kondensator 64 keine Energie bei. Eine kleine Energiemenge wird im Induktor 34 während dieses Vorgangs gespeichert. Diese Energie führt schließlich zu einer Überladung des Kondensators 64. Trotzdem ergibt sich netto eine Verringerlang der Überladung, da die Zeit, in der der Induktor 34 effektiv über der Schiene liegt, minimal ist.

Zusätzlich führt der Induktor 34 auch zu einer Überladung des Kon-

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densators 66 bei der !Commutation des Thyristors 44. Dies beeinflußt jedoch die Betriebsweise des Schaltkreises nicht wesentlich; der Vorteil, der mit dem Induktor 34 erzielt wird, überwiegt die Nachteile.

Fig. 17 zeigt einen Dämpferkreis 7o, der über die Schaltanschlüsse 37, 38 des Leistungsschalters 23 geschaltet ist. Ein ähnlicher Dämpfungskreis ist über die Schaltanschlüsse des Leistungsschalters 26 geschaltet; er verhindert große Momentanspannungen an den Dioden in den Leistungsschaltern am Ende der !Commutationszeit. Der Dämpferkreis 7o besitzt eine Diode 71, die in Reihe mit einem Kondensator 72 geschaltet ist, und einen Widerstand 73, der parallel zum Kondensator 72 geschaltet ist. Gegenwärtig werden solche Dämpferkreise bei der besten Ausführungsform der Erfindung verwendet.

Ein beträchtlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in seiner Verwendbarkeit in einem Induktionsmaschinensystem, wie zuvor erläutert. In diesem wird die Ausnutzung der Induktionsmaschine selbst praktisch verdoppelt, verglichen mit dem System, das anhand der Fig. 1 beschrieben wurde. Fig. 7 zeigt die Verwendung eines bipolaren Inverters zusammen mit einer Induktionsmaschine; es ergibt sich ein System mit geregelter Frequenz. Fig. 7A zeigt die Ausgangsspannung des BPI-Systems. Der Fachmemn weiß, daß der logische Kreis 37 sicherstellt, daß die Spannung am Inverter eine quasi-Rechteckwelle ist, bzw. eine Inipulsbrei ten-modulierte Spannung. Ein Phasenumkehrkreis 46 ist in Fig. 7 angedeutet, der den Aufbau der Wellenform, welche die modulierte Ausgangsspannung

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darstellt, bei jedem Nulldurchgang sicherstellt. D.h., man läßt die Erregung der Maschine am Ende von jedem Halbzyklus zusammenbrechen; es muß irgendwie dafür gesorgt werden, das System wieder anzuregen. Dieser Kreis kann typischerweise aus einer kleinen Gleichspannungsquelle oder einem geladenen Kondensator bestehen. Er wird kurzzeitig an die Schienenanschlüsse gelegt, um so die Maschine wieder anzuregen. Wenn die Last hinreichend induktiv ist, führt der Laststrom zum Wiederaufbau des Systems, da er weiterfließt, wenn die Spannung verschwindet, und den Kondensator mit einer Spannung geeigneter Polarität wieder auflädt.

Verschiedene Schaltkreiskonfigurationen unter Verwendung des BPI sind möglich. Z.B. kann eine dreiphasige Maschine mit einem dreiphasigen BPI verwendet werden; dabei wird eine einphasige Ausgangsspannung erzeugt, die nur eine sehr geringe Welligkeit besitzt. In diesem Fall erübrigt sich u.U. ein Kondensator.

Eine dreiphasige Ausgangsspannung kann ebenfalls erhalten werden, indem die drei einphasigen Systeme, wie allgemein in Fig. loA gezeigt, geschaltet werden. Es werden drei getrennte Generatoren benötigt; die Verbindungen erfolgen wie dargestellt. Ein dreiphasiges Modulationssignal wird an jeden Invertersteuerkreis gelegt.

Bei Verwendung eines in der Mitte angezapften Generators 14o kön- :nen einige Leistungsschalter erübrigt werden, wie dies in dem ; einphasigen System von Fig. loB gezeigt ist. Fig. loC zeigt ein

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System, mit dem eine dreiphasige Ausgangsspannung erzeugt wird und das drei getrennte, in der Mitte angezapfte einphasige Maschinen 14o, 141 und 142 verwendet. Der Fachmann findet ohne weiteres noch verschiedene andere denkbare Konfigurationen.

Ein weiteres wichtiges Einsatzgebiet für die Erfindung ist das Feld der Energie-Regeneration. Oft soll von einem Motor oder einer Last, die zeitweise als Generator arbeiten kann, Energie zurück zur Hauptenergiequelle gespeist werden. Häufig erzeugt diese Hauptenergiequelle eine Wechselspannung, die dann von einem Gleichrichterkreis, z.B. einer Thyristor-gesteuerten Brücke, gleichgerichtet, in einem LC-Filter gefiltert und dann an den Inverter gelegt wird. Wenn also die regenerierte Energie zurück zur Quelle gespeist werden soll, wird eine zweite volle Thyristorbrücke zugefügt, wie dies in Fig. 11 gezeigt ist. Eine herkömmliche Quelle 7o einer Sinusspannung liefert einen Wechselstrom, der von einer ersten Thyristorbrücke gleichgerichtet wird. Diese enthält die Thyristo- ; ren Ho, 111, 112 und 113. Der auf diese Weise erzeugte Gleichj strom wird über die Leiterschienen 114, 115 und durch ein Filter 116 geleitet. Das Filter enthält einen in Serie geschalteten In- i

duktor 117 und einen parallel geschalteten Kondensator 118; es speist einen herkömmlichen Inverter 12o. Wenn regenerierte Energie rückwärts durch den herkömmlichen Inverter 12o und das Filter 116 zur Quelle 7o gespeist werden soll, muß eine zweite Thyristorbrücke zugefügt werden, welche die vier Thyristoren 121,122,123, 124 enthält. Die Polarität der Spannung auf den Schienen 114,115 j

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bleibt die gleiche, ebenso die Polarität am Kondensator 118. Die Richtung des Stromflusses durch den Filterinduktor kehrt sich jedoch beim RegenerationsVorgang unter Verwendung eines herkömmlichen Inverters um.

In Fig. 12 ist dargestellt, wie sich die Rückspeisung von Energie unter Verwendung eines bipolaren Inverters vereinfacht. Es ist zu betonen, daß nur eine einzige Brücke, welche die Thyristoren Ho 113 enthält, zwischen den Leiterschienen und der Quelle 7o erforderlich ist. Zusätzlich wird der Kondensator 118 durch einen bipolaren Kondensator 126 ersetzt. Bei dieser Anordnung bleibt die Richtung des Stromflusses immer die gleiche: von der Quelle durch das Filter zum bipolaren Inverter. Dagegen dreht sich die Spannung am Kondensator um, wenn Energie zurück durch den bipolaren Inverter gespeist wird.

Der bipolare Inverter hat auf dem Gebiet der heterodynen Frequenzumwandlung noch eine weitere Einsatzmöglichkeit. Eine allgemeine Anordnung für einen solchen Konverter ist in Fig. 13 gezeigt. Die Inverterschalterkreise sind in vereinfachter Form als Leistungsschalter 83, 84,83A,84A dargestellt. Die Quelle 7o liefert eine Wechselspannung mit einer bestimmten Frequenz f . Die Frequenz des Inverters ist mit f. gekennzeichnet. Auf den Leiterschienen 71,72 liegen vor dem Filter 13o sowohl die Summenfrequenz (f^ + f ) als auch die Differenzfrequenz (f. - f ) der Inverter- und der Quellfrequenz. Bei dem allgemeinen Beispiel, das dargestellt

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- 3ο -

ist, ist das Filter 13o ein Tiefpaßfilter; es hält daher die höhere Frequenz (f. + f ) zurück. Das Filter 13o kann auch ein

JL· ο

Hochpaßfilter sein und die tiefere Frequenz (f. - f ) zurückhalten. Bei einer solchen Anordnung werden außerdem harmonische Frequenzen erzeugt; das dargestellte System läßt sich jedoch ohne weiteres zur Erzeugung einer Frequenz nach der heterodynen Frequenzumwandlungsmethode verwenden. Diese Methode kann z.B. zur direkten Wechselstrom-Wechselstromkonversion verwendet werden, ohne Gleichspannungszwischenglied. Dabei wird aus einer festen oder variablen Spannungsquelle eine geregelte Frequenz erzeugt.

Ein Schaltkreis, der eine dreiphasige Wechselspannung aus einer einphasigen Quelle erzeugt, ist in Fig. 14 gezeigt. Ein dreiphasiger bipolarer Inverter mit drei Füßen 146,147,148 ist an eine einphasige Quelle 7o angeschlossen. Jeder Fuß besitzt zwei Leistungsschalter 83,84;83A,84A;83B,84B. Wenn die Ansteuerung der Leistungsschalter so geregelt ist, daß in herkömmlicher quasi-Rechteckwellenweise geschaltet wird, dann enthält die Spannung an den Ausgangsanschlüssen sowohl Summen- als auch Differenzkomponenten. Es sei z.B. angenommen, daß die Summenkomponenten herausgefiltert werden; dann enthält die Ausgangsspannung abgeglichene Dreiphasenspannungen bei der Differenzfrequenz.

Es sei außerdem betont, daß die einzelnen Leistungsschalter, z.B. der Kreis 83, der in Fig. Io dargestellt ist, außerhalb eines bipolaren Inverters verwendet werden können. Der Kreis 83 kann als

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: Leistungsschalter z.B. zwischen einer Energiequelle und einer Last verwendet werden.

Verglichen mit unabhängigen oder Hilfskommutationskreisen weist der komplementäre Kommutationskreis gemäß der vorliegenden Erfindung deutliche Vorteile auf. Er reduziert die Anzahl der Leistungskomponenten die erforderlich sind; er vereinfacht die Schaltungsanordnung im Logik-oder Torregelkreis. Als Induktor 60, 62 und 65 kann ein Induktor mit Luftkern verwendet werden, was die Kosten und die physikalische Größe des Schaltkreises verringert. Der Schaltkreis kann, wie in Fig. 15 dargestellt, zur Speisung einer Induktionsmaschine verwendet werden. Wenn diese Einheit als Motor ' betrieben wird, kann die Energie durch die Füße des Leistungs- : : konversionskreises regeneriert werden. Ein weiterer Fuß kann zum j Kreis der Fig. 15 zugefügt werden, wie dies dem Fachmann bekannt \ ist, so daß ein dreiphasiger Wechselstrom aus einer einphasigen

. Quelle 2o erhalten werden kann. I

; ι

ι ;

i In den nachfolgenden Ansprüchen bedeutet der Ausdruck "angeschlosi

j j

I sen" eine Gleichstromverbindung zwischen zwei Bauteilen, bei der j zwischen diesen Bauteilen im wesentlichen kein Gleichstromwiderstand vorliegt. Der Ausdruck "gekoppelt" deutet an, daß es zwischen den beiden Bauteilen eine funktionale Beziehung gibt, wobei andere Elemente zwischen die Komponenten eingefügt werden können, die als "gekoppelt" bezeichnet sind. Der Ausdruck "Leistungsschalter" umfaßt einen Triac, ein Paar umgekehrt-parallel angeschlosse-

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ner Thyristoren (z.B. wie die Thyristoren 73,74 in Fig. 8), eine Diodenbrücke mit einem Thyristor und einem Kommutationskrexs (wie in Fig. Io gezeigt) und äquivalente Anordnungen. In der Diodenbrücke 85~88 von Fig. Io sind die "Lastanschlüsse" die zwei Anschlüsse, welche an die Leiterschiene 71 und an den Lastleiter 8 2 angeschlossen sind. Die "Schaltanschlüsse" sind der Anschluß, der an den Kathoden der Dioden 85,87 angeschlossen ist, und der Anschluß der an den Anoden der Dioden 86,88 angeschlossen ist.

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Claims

Patentansprüche

1. Bipolarer Inverter, der unabhängig von der Polarität der speisenden Potentialdifferenz, die an zwei Leiterschienen gelegt wird, Energie einem Lastwiderstand zuführen kann, gekennzeichnet durch

einen ersten (55) und einen zweiten (57) Leistungsschalter, von denen jeder zwei Lastanschlüsse und zwei Schaltanschlüsse aufweist, wobei jeder Leistungsschalter (55,57) mit einem Lastanschluß an eine (64) der Leiter?;ehienen gekoppelt ist; einen dritten (56) und vierten (58) Leistungsschalter, die jeweils zwei Lastanschlüsse und zwei Schalteinschlüsse besitzen, 7/obei jeder Leistungsschalter (56,58) mit einein Lastanschluß an die andere (65) Leiterschiene gekoppelt ist; wobei die anderen Lastanschlüsse sowohl des ersten (55) als

Schalters

auch des dritten (56)/aneinander und an euuj:-n ersten Lastleiter angeschlossen sind uad die anderen Laytanschlüsse sowohl

des., zv/eiten (57) als auch des vierten (5G) Schalters raiteinanan

der und'einen zweiten Lastleiter angeschlossen sind, wodurch Energie in einer Richtung zu den Lastleitern geführt wird, ob nun eine Gleichspannung beiderlei Polarität oder eine Wechselspannung an die Leiterschienen (64,65) gelegt wird.

2. Bipolarer Inverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß jeder Fuß des Inverters zwei Leistungsschalter (75,78)

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ORIGINAL INSPECTED

umfaßt, von denen jeder ein Paar umgekehrt parallel angeschlossener Thyristoren (73,74) und einen Koramutationskreis (80) enthält, der so angeschlossen ist, daß er die Thyristoren abschaltet.

3. Bipolarer Inverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Fuß des Inverters zwei Leistungsschalter (83,34) umfaßt, von denen jeder eine Diodenbrücke (35,36,87,83) mit vier Dioden, die in herkömmlicher Gleichrichteranordnung angeschlossen sind, einen Thyristor (9o), der zwischen gegenüberliegenden Anschlüssen der Diodenbrücke gekoppelt ist und ein Leiten und liichtleiten der Diodenbrücke in beiden Richtungen als Funktion des Leitens und iJichtleitens des Thyristors bewirkt, und einen Kororautationskreis (91) enthält, der an den Thyristor gekoppelt ist und den Thyristor abschaltet.

4. Bipolarer Inverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß er in einem modulierten Induktionsmaschinensystem enthalten ist und eine yfechselausgetngsspannung über zwei Leiterschienen (23,24) einer Last (22) zuführt und umfaßt:

eine Induktionsmaschine (2o) mit einer Eingangswelle (21), welche mechanische Eingangsenergie aufnimmt, und mit zwei Aus gangsans chlüssen;

wobei der bipolare Inverter einen ersten Fuß (55,56) mit zwei Leistungsschaltern enthält, die zwischen den Leiterschienen in Serie gekoppelt sind, wobei der gemeinsame Verbindungspunkt

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1NSPECT£D

dor ersten beiden Leistungsschalter mit einem Ausgangsanschluß der Induktionsmaschine gekoppelt ist, wobei ein zweiter Fuß (57,58) zwei weitere Leistungsschalter enthält, die in Reihe zwischen die Leiterschienen gekoppelt sind, wobei der gemeinsame Anschluß der beiden zweiten Leistungsschalter mit dem anderen Ausgangsanschluß der Induktionsmaschine gekoppelt ist;

ein Kondensator (34), der zwischen die Leiterschienen gekoppelt ist;

ein logischer Kreis (37) mit einer Vielzahl von Ausgangsanschlüssen, welcher Torsignale an die vier Leistungsschalter im bipolaren Inverter beim Empfang von Taktsignalen legt; einen Oszillator (4o), der die Taktsignale an den logischen Kreis (37) legt;

einen Modulator (43), der mit dem Oszillator (4o) gekoppelt ist und eine Variation der Taktsignale bewirkt, welche an den logischen Kreis (37) vom Oszillator (4o) gelegt wird.

5. Moduliertes Indulctionsmaschinensystera nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Leistungsschalter im bipolaren Inverter zwei umgekehrt-parallel angeschlossene Thyristoren umfaßt.

6. Moduliertes Induktionsmaschinensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Leistungsschalter im bipolaren Inverter eine Diodenbrücke umfaßt, wobei ein Thyristor an zwei Anschlüsse der Diodenbrücke angeschlossen ist und ein Kommutationskreis an den Thyristor gekoppelt ist.

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7. Moduliertes Induktionsmaschinensystem nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Phasen-umkehrenden Kreis (46), der zwischen Modulator und Leiterschienen gekoppelt ist, welcher den Aufbau der Induktionsmaschine nach jedem Nulldurchgang der modulierten Ausgangsspannung sicherstellt.

8. Bipolarer Inverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß er in einem System zur Regeneration von Energie eingeschlossen ist, die von einer Wechselstromlast über zwei Leiterschienen (114,115) zurück in eine Wechselspannungsquelle (7o) gespeist wird;

mit einer Thyristorbrücke (llo,111,112,113), welche an die Wechselspannungsquelle und an die Leiterschienen gekoppelt ist und eine unidirektionale Potentialdifferenz auf den Leiterschienen liefert;

mit einem Filter (116), welches einen Induktor (117), der in Reihe mit einer der Leiterschienen gekoppelt ist, und einen Kondensator (126),der parallel über die Leiterschienen gekoppelt ist und in beiden Richtung geladen werden kann, umfaßt; wobei der bipolare Inverter (127) an die Leiterschienen gekoppelt ist und die unidirektionale Energie vom Filter erhält, Wechselstromenergie zur Last leitet und zusätzlich Energie aufnimmt, die von der Last zurückkehrt und zu den Leiterschienen zurückführt, wodurch der Kondensator in entgegengesetztem Sinn aufgeladen wird, verglichen mit dem Sinn, in dem er normalerweise aufgeladen ist, wenn die Energie zum Inverter geführt wird.

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9. Bipolarer Inverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er in einem Wechselstrom-Wechselstrom-Konversionssystem enthalten ist, und eine Wechselspannung zu einer Last führt;

mit einer Quelle (7o) eines Wechselstroms, der eine Frequenz (f ) aufweist;

wobei der bipolare Inverter (83,83A,84,84A) an die Quelle gekoppelt ist und so angeschlossen ist, daß er mit einer Frequenz (f^) geschaltet wird;

mit zwei Leiterschienen (71,72), welche an den bipolaren Inverter gekoppelt sind und die Summenfrequenz (f. + f ) und die Difierenζfrequenz (f. - f ) vom Inverter empfangen; mit einem Filter (13o), das zwischen Leiterschienen und die Last gekoppelt ist und entweder die Summen- oder die Differenzfrequenz zur Last passieren läßt und die jeweils andere Frequen ζ ζ urü ckhäIt.

Io. Bipolarer Inverter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine mehrphasige Ausgangsspannung zur Speisung einer Last, wobei in jedem Phasenkreis enthalten sind:

eine Induktionsmaschine (2o) mit einer Eingangswelle, welche ; mechanische Eingangsenergie empfängt, und mit zwei Ausgangsanschlussen; :

wobei der bipolare Inverter (55 - 58) einen ersten Fuß mit zwei Leistungsschaltern (55,56) enthält, die in Reihe zwischen ein erstes Paar Leiterschienen gekoppelt sind, wobei der gemeinsame Anschlußpunkt zwischen dem ersten Leistungsschalterpaar an ;

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einen Ausgangsanschluß der Induktionsmaschine gekoppelt ist, wobei ein zweiter Fuß ein zweites Paar Leistungsschalter (57, 58) enthält, die in Reihe zwischen die Leiterschienen gekoppelt sind, wobei der gemeinsame Anschlußpunkt zwischen dem zweiten Leistungsschalterpaar an den anderen Ausgangsanschluß der Induktionsmaschine gekoppelt ist;

mit einem Kondensator (34), der zwischen die Leiterschienen gekoppelt ist;

mit einem logischen Kreis, der eine Vielzahl von Ausgangsanschlüssen enthält und Torsignale an die vier Leistungsschalter in jedem Phasenkreis des bipolaren Inverters bei Empfang von Taktsignalen legt;

mit einem Oszillatorkreis, der so angeschlossen ist, daß er die Taktsignale an den logischen Kreis legt; mit einem Modulator, der an den Oszillator gekoppelt ist und eine Variation der Taktsignale bewirkt, die vom Oszillator an den logischen Kreis gelegt werden.

11. Bipolarer Inverter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine mehrphasige Ausgangsv/echselspannung auf einer Mehrzahl von Lastleitern zur Speisung einer Last;

mit zwei Leiterschienen (23,24);

mit Mitteln (7o),mit denen eine einphasige Wechselspannung auf

die Leiterschienen (23,24) gelegt wird; ; wobei jeder Fuß des bipolaren Inverters ein Paar von Leistungsschaltern (83,84) enthält, die in Reihe zwischen die Leiter-

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schienen gekoppelt sind, wobei der gemeinsame Anschlußpunkt zwischen dem Leistungsschalterpaar an einen (A) Lastleiter gekoppelt ist;

mit einem logischen Kreis (38), der eine Vielzahl von Aus gangs anschlüssen enthält und Torsignale an die Leistungsschalter in jedem Fuß des bipolaren Inverters bei Empfang von Taktsignaeln legt;

mit einem Oszillator (4o), der so angeschlossen ist, daß er Taktsignale an den logischen Kreis legt.

12. Bipolarer Inverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Anlegen einer einphasigen Wechselspannung eine Induktionsmaschine (7o) enthalten.

13. Bipolarer Leistungskonversionskreis nach Anspruch 1, der Energie zu einer Last unabhängig von der Polarität der Speisepotentialdifferenz durchläßt, die an zwei Leiterschienen (21,22) gelegt wird, über welche der Leistungskonversionskreis unter Strom gesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Fuß

des Leistungskonversionskreises umfaßt: |

einen ersten Leistungsschalter (23), der zwischen eine Leiter-: : schiene (21) und einen Lastanschlußpunkt (27) gekoppelt ist '

und zwei Lastanschlüsse (35,36), zwei Schaltanschlüsse (37,38): : vier Dioden (4o,43), die so angeschlossen sind, daß sie Strom ; ; zwischen den Lastanschlüssen führen, wenn ein Gleichstromkreis; zwischen den Schaltanschlüssen geschlossen wird, und einen ;

= Thyristor (44), der so angeschlossen ist, daß er den Gleich- !

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- 4o - "

Stromkreis schließt, wenn er einen Torimpuls erhält; einen zweiten Leistungsschalter (26), der zwiscnen den Lastanschluß (27) und die andere Leiterschiene (27) gekoppelt ist und zwei Lastanschlüsse (45,46), zwei Schaltanschlüsse (47,48), vier Dioden (5o - 53), die so angeschlossen sind, daß sie Strom zwischen den Lastanschlüssen leiten, wenn ein Gleichstromkreis zwischen den Schaltanschlüssen geschlossen sind, und einen zweiten Thyristor (54) enthält, der so angeschlossen ist, daß er den Gleichstromkreis schließt, wenn der Thyristor einen Torimpuls empfängt;

ein komplementärer Kommutationskreis (6o,66), der einen ersten Induktor (6o),der in Serie mit dem ersten Thyristor (44) zwischen die Schaltanschlüsse im ersten Leistungsschalter gekoppelt ist, einen zweiten Induktor (62), der in Serie mit dem zweiten Thyristor (54) im zweiten Leistungsschalter gekoppelt ist, einen ersten Kondensator (64), dessen eine Platte an den gemeinsamen Anschluß (61) zwischen dem ersten Thyristor und dem ersten Induktor gekoppelt ist und dessen andere Platte an den gemeinsamen Anschluß (63) zwischen dem zweiten Thyristor und dem zweiten Induktor gekoppelt ist, einen zweiten Kondensator (66), der zwischen einem Schaltanschluß (38) des ersten Leistungsschalters und einen Schaltanschluß (48) des zweiten Leistungsschalters gekoppelt ist, enthält und vom ersten und zweiten Thyristor denjenigen «abschaltet, der leitet, wenn der andere : Thyristor einen Torimpuls empfängt.

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14. Bipolarer Leistungskonversionskreis nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß er einen dritten Induktor (65) umfaßt, der in Reihe mit den ersten Kondensator (64) zwischen die gemeinsamen Anschlüsse gekoppelt ist.

15. Bipolarer Leistungskonversionskreis nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei Dämpferkreise (7o) umfaßt, die jeweils an die SchäLtanschlüsse von einem Leistungsschalter gekoppelt sind und eine Reihenschaltung aus einer Diode (71), einem Kondensator (7 2) umfaßt, sowie einen Widerstand (7 3), der parallel zum Kondensator geschaltet ist.

16. Bipolarer Leistungskonversionskreis nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß er einen vierten Induktor (34) umfaßt, der in Reihe mit einer Leiterschiene angeschlossen ist.

17. Leistungsschalter, der Strom durchläßt oder nicht durchläßt und in einem bipolaren Leistungskonversionskreis nach einem der Ansprüche 1 bis 16 verwendet werden kann, gekennzeichnet durch

eine Diodenbrücke (85,86,87,88), mit vier Dioden, die in herkömmlicher Gleichrichteranordnung angeschlossen sind, und mit zwei Lastanschlüssen und zwei Schaltanschlüssen; einen Thyristor (9o), der in Serie zwischen die Schaltanschlüsse der Diodenbrücke gekoppelt ist und wahlweise einen Stromwec zwischen diesen fiiischlÜÄsen schließt,, wenn fsr Thyristor (Sd,:

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einen Torimpuls empfängt, und auf diese Weise einen leitenden iVeg zwischen den Las tans chlüs sen der Brücke schließt; einen Kommutationskreis (loo - Io2), der parallel zu dem Thyristor gekoppelt ist und wahlweise den Thyristor ausschaltet und den Stromfluß durch den Leistungsschalter unterbricht.

18. Leistungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kommutatorkreis eine Reihenschaltung enthält, die parallel zum Thyristor gekoppelt ist und einen Kondensator (loo), einen Induktor (lol) und einen zweiten Thyristor (Io2) enthält, wobei eine Diode (Io3) parallel zum zweiten Thyristor gekoppelt ist, aber in entgegengesetztem Sinne verglichen mit den Sinne, in dem der zweite Thyristor angeschlossen ist.

19. Leistungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kommutatorkreis eine zweite Reihenschaltung umfaßt, die parallel zur ersten Reihenschaltung gekoppelt ist und einen V7iderstand (Io4), eine zweite Diode (Io5) und Mittel (Io6) zur Lieferung von Gleichstrom enthält.

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