DE2712601C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter nach dem 0berbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solcher ist durch die US-PS 30 02 142 bekannt geworden.

Wechselrichter werden zum einem zum Umsetzen eines Gleichstroms in Wechselstrom verwendet. Wechselrichter werden auch dort verwendet, wo eine Wechselstromversorgung zwar vorhanden, jedoch in der Frequenz ungeregelt ist, wie beispielsweise in Bordsystemen von Luftfahrzeugen. Dann wird der zur Verfügung stehende Wechselstrom gleichgerichtet, amplitudengeregelt und dann durch einen Wechselrichter in Wechselstrom konstanter Frequenz umgeformt. Dabei ist es erwünscht, die Anzahl der Harmonischen im Wechselausgangssignal zu minimieren. Insbesondere bei der Anwendung in Flugzeugen ist es sehr wichtig, daß das Gewicht der elektromagnetischen Bauelemente des Wechselrichters möglichst gering ist.

In der US-PS 37 81 635 ist eine Schaltung zur Umwandlung einer Gleichspannung oder einer Dreiphasenspannung mit veränderlicher oder konstanter Frequenz in eine Dreiphasenspannung mit konstant gehaltener anderer Frequenz beschrieben, welche einen zwischengeschalteten Frequenzwandler verwendet. Dieser Frequenzwandler besteht aus zwei Dreiphasen-Wechselrichtern, die eingangsseitig parallel geschaltet sind.

Die Dreiphasen-Ausgänge des einen Wechselrichters sind über Spannungsteiler-Drosseln mit entsprechenden Ausgängen des anderen Wechselrichters verbunden. Von Abgriffen dieser Drosseln werden die drei Ausgänge der Dreiphasenspannung gespeist. Durch die Verwendung von zwei Dreiphasen-Wechselrichtern ist im Vergleich zur vorliegenden Erfindung der Aufwand an Schaltmitteln erheblich größer.

Bei einem aus der US-PS 35 73 602 bekannten Dreiphasen-Wechselrichter werden die Ausgangssignale dadurch erzeugt, daß einem Grundimpuls, der im wesentlichen den gesamten Amplituden-Zeitbereich jeder Halbperiode überdeckt, zwei symmetrisch beabstandete Impulse mit geringerer Amplitude überlagert werden. Diese zwei lmpulse sollen Harmonische beseitigen, wobei jeder der Impulse durch zwei Wicklungen erzeugt wird, die in Reihe zwischen einem Ausgangsanschluß und einer Mittelanzapfung einer Drossel der zugeordneten Phase angeschlossen und induktiv jeweils mit den Drosseln der beiden anderen Stufen gekoppelt sind.

Durch die US-PS 36 38 094 ist ein Dreiphasen- Wechselrichter bekannt geworden, bei dem die Ausgangsspannungen jeder Phase durch die Addition mehrerer Rechteckspannungen gebildet werden. Hierdurch wird ein annähernd sinusförmiger Verlauf der Ausgangsspannungen erzielt. Aber auch bei diesem Dreiphasen-Wechselrichter ist gegenüber der vorliegenden Erfindung ein größerer Aufwand an Bauteilen erforderlich.

Die US-PS 30 02 142 offenbart einen weiteren bekannten Wechselrichter. Bei dieser Wechselrichteranordnung wird eine rechteckförmige Grundschwingungsform B mit einer höherfrequenten Schwingungsform A kombiniert, um eine in Stufen verlaufende Ausgangsschwingungsform C, mit der eine sinusförmige Schwingung angenähert ist, zu bilden (Fig. 2 der US-PS 30 02 142). Die aus der US-PS 30 02 142 bekannte Wechselrichteranordnung verwendet zwei im Gegentakt betriebene Wechselrichter und kombiniert deren Ausgangssignale. Im Gegensatz zum vorliegenden Gegenstand offenbart die US-PS 30 02 142 jedoch einen selbsterregten, als Oszillator arbeitenden Zerhacker- Wechselrichter, der also nicht extern kommutiert ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wechselrichter zu schaffen, der eine annähernd sinusförmige Ausgangsspannung mit geringem Gehalt an Harmonischen hei einfachem Aufbau und geringem Gewicht liefert.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem Wechselrichter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die im kennzeichnenden Teil dieses Anspruchs angegebenen Merkmale.

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 angegeben.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Wechselrichters;

Fig. 2 schematisch, teilweise als Blockschaltbild, einen Einphasen-Wechselrichter gemäß der Erfindung;

Fig. 3a eine Darstellung der beiden durch den Hauptwechselrichter gemäß Fig. 2 erzeugten Spannungen;

Fig. 3b eine Darstellung der Schaltfolge der Wechselrichter- Schaltglieder gemäß Fig. 2 zur Bildung der Spannungen gemäß Fig. 3a;

Fig. 3c schematisch den Spannungsverlauf der durch den Rechteckspannungsgenerator erzeugten Rechteckspannung;

Fig. 3d schematisch die zusammengesetzte Spannung und die Sinusspannung der sie angenähert ist, wobei die zusammengesetzte Spannung durch Summieren der Stufenspannung gemäß Fig. 3a und der Rechteckspannung gemäß Fig. 3c entstanden ist;

Fig. 4 schematisch eine Dreiphasen-Wechselrichter gemäß der Erfindung;

Fig. 5 schematisch den Spannungsverlauf der durch die verschiedenen Spulen des Wechselrichters gemäß Fig. 4 erzeugten Impulse sowie eine Rechteckspannung, die durch Summieren dieser Impulse erzeugt ist.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Wechselrichters dargestellt, der einen Hauptwechselrichter 10, einen Rechteckspannungsgenerator 12 und eine Additionseinrichtung 14 enthält. Gemäß Fig. 3a erzeugt der Hauptwechselrichter 10 ein Stufensignal VM mit abwechselnd positiven und negativen Halbschwingungen bezüglich einem neutralen oder einem Erd- Bezugspotential. Die Spannungswerte des Stufensignals VM ändern sich stufenweise während jeder Halbschwingung und nehmen einen ersten Wert VM 1 in dem ersten und letzten Segment 16 jeder Halbschwingung und einen zweiten Wert VM 2, der größer als der erste Wert VM 1 ist, in dem verbleibenden Segment 18 jeder Halbschwingung zwischen dem Anfangs- und End- Segment 16 an. Gemäß Fig. 3c erzeugt der Rechteckspannungsgenerator 12 eine Rechteckspannung VT in Phase mit der Stufenspannung VM und mit einer Frequenz, die dreimal so groß ist als die der Stufenspannung VM. Die Rechteckspannung VT wechselt auch über und unter das Erd-Bezugspotential und wird zur Stufenspannung VM durch die Additionseinrichtung 14 summiert zur Bildung einer Summenspannung VO, die schematisch in Fig. 3d dargestellt ist. Die Summenspannung VO ist angenähert an eine Sinusspannung S, die in Strichlinien in Fig. 3d dargestellt ist, und hat drei Stufen in jeder Viertelperiode.

Der Gehalt an Harmonischen der Ausgangs-Summenspannung VO kann durch Wahl des Spannungswerts VM 1 des Anfangs- und des End-Segments 16 der Stufenspannung VM relativ zum Spannungswert VM 2 des Zwischen-Segments 18 und auch durch Wahl der Dauer des Anfangs- und des End-Segments 16 gesteuert bzw. überwacht werden. Bei der in Fig. 3a dargestellten Stufenspannung beträgt die Dauer des Anfangs- und des End-Segments 16 bevorzugt 30°, und der Spannungswert VM 1 bevorzugt 0,452 des zweiten Spannungswerts VM 2. Damit werden bevorzugt die fünfte und die siebte Harmonische in der Ausgangs-Summenspannung VO beseitigt. Die Rechteckspannung VT beeinflußt in gleicher Weise den Gehalt an Harmonischen in der Ausgangs- Summenspannung VO. Wenn dann die Rechteckspannung VT einen quadratischen Spannungsverlauf hat mit einem Scheitelwert von vorzugsweise 0,150 des Spannungswerts VM 2, wie in Fig. 3c dargestellt, werden auch die dritte Harmonische sowie deren Vielfache unterdrückt. Alle ungeradzahligen Harmonischen bis zur elften Harmonischen werden auf diese Weise in der Ausgangsspannung VO beseitigt. Die elfte Harmonische ist relativ klein und folglich leicht auszufiltern.

Fig. 3d zeigt den sich mit diesen Parametern ergebenden angenäherten sinusförmigen Spannungsverlauf.

Ein besonderes Ausführungsbeispiel des Hauptwechselrichters 10 und der Additionseinrichtung 14 ist in Fig. 2 dargestellt. Jedoch kann auch ein anderer Schaltungsaufbau zur Ausbildung der wechselnden Stufenspannung VM verwendet werden, wenn die erläuterte Synthetisierung der Ausgangsspannung VO in der beschriebenen Weise erfolgt. Wie in Fig. 2 dargestellt, enthält der Hauptwechselrichter 10 eine Ausgangsspule 20 mit einer asymetrisch herausgeführten Anzapfung 22 sowie eine in der Mitte angezapfte oder tripolare Spannungsquelle 24, die schematisch durch zwei Stromquellen 26, 28 dargestellt ist, die reihengeschaltet sind, wobei deren Mittelabgriff 30 über den Rechteckspannungsgenerator 12 an Masse liegt. Die eine Stromquelle 26 erzeugt eine gegenüber Masse positive Gleichspannung +V an einer Spannungsleitung 32, und die andere Stromquelle 28 erzeugt eine gegenüber Masse negative Spannung - V an einer Spannungsleitung 34. Die Ausgangsspannung VO bildet sich zwischen Masse und der Anzapfung 22 aus.

Die wechselnde Stufenspannung VM bildet sich durch selektives Umschalten der gegenüberliegenden Enden der Spule 20 an die positiven und negativen Spannungsleitungen 32 und 34 aus. Das der Anzapfung 22 näher liegende Ende der Spule 20 wird wechselweise mit der Spannungsleitung 32 durch einen Thyristor oder eine gesteuerte Halbleiterdiode (SCR = Silicon Controlled Rectifier) 35 und mit der Spannungsleitung 34 durch eine steuerbare Halbleiterdiode (SCR) oder einen Thyristor 36 verbunden. Das andere Ende der Spule 22 wird wechselweise mit der Spannungsleitung 32 durch einen Thyristor (SCR) 38 und mit der Spannungsleitung 34 durch einen Thyristor (SCR) 40 verbunden. Vier Dioden 42, 44, 46, 48 sind jeweils antiparallel zu den Thyristoren 35, 36, 38, 40 geschaltet und bilden Wege für den Rückstrom zur Gleichstromversorgung der Stromquellen 26, 28 und können auch zum Leiten von Kommutierungsimpulsen über die zugeordneten Thyristoren verwendet werden.

Eine übliche Schaltsteuereinrichtung 50 ist mit den Steueranschlüssen jedes Thyristors 35, 36, 38, 40 verbunden und legt Ansteuer- und Kommutierungsimpulse an diese an, um die Thyristoren in der in Fig. 3b dargestellten Folge durchzuschalten bzw. zu sperren. Wie sich daraus ergibt, leitet während der positiven Halbperiode der Thyristor 35 und der Thyristor 36 nicht, um die positive Batteriespannung + V an die linke Seite der Spule 20 zu legen. Während der negativen Halbperiode leitet der Thyristor 35 nicht und der Thyristor 36 leitet, um die negative Batteriespannung - V an die linke Seite der Spule 20 zu legen. Die rechte Seite der Spule 20 ist während jeder Halbperiode selektiv an die Plus- bzw. Minusspannung an den Leitungen 32, 34 angeschaltet, um die verschiedenen Ausgangsspannungen während der verschiedenen Segmente zu erhalten. Während des Anfangs- und des End-Segments 16 ist polaritätsabhängig einer der Thyristoren 38 oder 40 durchgeschaltet, um die rechte Seite der Spule 20 an die Spannungsleitung anzulegen, deren Polarität entgegengesetzt der ist, die an die linke Seite der Spule 20 angelegt ist derart, daß die Größe der über der Spule 20 abfallenden Spannung + 2V beträgt, nämlich die Summe der beiden Batteriespannungen. Die über der Spule 20 abfallende Spannung während des End-Segments ist durch in Strichlinien in Fig. 3a dargestellte Impulse 41 dargestellt. Während des Zwischen-Segments 18 ist polaritätsabhängig einer der Thyristoren 38 oder 40 durchgeschaltet, um die rechte Seite der Spule 20 an die gleiche Spannungsleitung wie die die linke Seite der Spule so anzulegen, daß keine Spannung über der Spule 20 abfällt. Die Spannung an der Mittelanzapfung 22 gegenüber Masse während des Zwischen-Segments 18 entspricht daher der Batteriespannung V.

Bei einem Einphasen-Wechselrichter ist der Rechteckspannungsgenerator 12 in an sich bekannter Weise ausgeführt, der die gewünschte Spannung mit der gewünschten Frequenz abgibt. Das Erreichen der geeigneten Phasenbeziehung und Frequenzbeziehung zwischen der Rechteckspannung VT und der wechselnden Stufenspannung VM kann einfach erreicht werden durch Verwendung einer gemeinsamen Quelle von Taktsignalen für sowohl dem Rechteckspannungsgenerator 12 und die Schaltsteuereinrichtung 50. Das Summieren der Rechteckspannung VT zur wechselnden Stufenspannung VM wird durch deren Anlegen zwischen dem Batterie-Abgriff 30 und dem geerdeten Ausgangsanschluß erreicht.

In Fig. 4 ist ein Dreiphasen-Wechselrichter dargestellt, bei dem drei zusammengesetzte Ausgangsspannungen VO 1, VO 2 und VO 3 erzeugt werden, identisch der Ausgangsspannung VO gemäß Fig. 3d, wobei jedoch die Phasen jeweils gegeneinander um 120° C verschoben sind. Die drei Ausgangsspannungen VO 1 bis VO 3 werden jeweils durch drei Hauptwechselrichter 54, 56, 58 gebildet von denen jeder mit dem in Fig. 2 dargestellten Hauptfortwechselrichter 10 vergleichbar ist.

Demzufolge besitzen die vergleichbaren Schaltbauteile jeder Phase 54, 56, 58 die gleichen Bezugszeichen wie die entsprechenden Schaltbauteile des Hauptwechselrichters 10 mit dem Zusatz - 1, - 2 bzw. - 3, die jeweils die Phasenzuordnung zur ersten, zweiten bzw. dritten Phase bezeichnen. Alle Phasen werden durch Stromquellen 26, 28 versorgt und sind parallel zwischen der positiven Spannungsleitung 32 und der negativen Spannungsleitung 34 angeschlossen. Die Steueranschlüsse der Thyristoren jeder Phase sind mit einer (nicht dargestellten) herkömmlichen Schaltsteuerung verbunden, die die Thyristoren in jeder Phase ein- bzw. ausschaltet in genau der gleichen Folge wie die in Fig. 3b dargestellte für die Thyristoren 35, 36, 38, 40.

Anders als der Hauptwechselrichter gemäß Fig. 2, der einen getrennten Rechteckspannungsgenerator 12 benötigt, bildet der Dreiphasen-Wechselrichter gemäß Fig. 4 eine Rechteckspannung VT aus durch Addieren der Spannungsimpulse, die über den Spulen 20-1, 20-2 und 20-3 während der Anfangs- und End-Segmente 16 von deren Ausgangsspannungen abfallen. Die über den Spulen 20-1, 20-2 und 20-3 auftretenden Spannungsimpulse und deren relative Phasenlagen sind in den oberen drei Spannungsverläufen in Fig. 5 dargestellt. Die über den Spulen 20-1, 20-2 und 20-3 abfallenden Impulse induzieren jeweils Spannungsimpulse proportionaler Größe in Spulen 52-1, 52-2 und 52-3, die induktiv damit gekoppelt sind. Die Spulen 52-1, 52-2, 52-3 sind miteinander reihengeschaltet zwischen dem Mittelabgriff 30 der Stromquellen 26 und 28 und einem neutralen Ausgangsanschluß 60, der allen drei Phasen gemeinsam ist und mit dem Erd- oder Masse-Bezugspotential verbunden ist. Diese Reihenschaltung summiert die in den Spulen 52-1, 52-2, 52-3 induzierten Spannungsimpulse zur Bildung der Rechteckspannung VT, die wie im untersten Spannungsverlauf in Fig. 5 dargestellt, einen quadratischen Verlauf hat und deren Periode ein Drittel der Periode der jeweiligen Impulssignale beträgt, aus denen sie erzeugt ist. Die Reihenverbindung der Spulen 52-1, 52-2, 52-3 und ihre jeweilige induktive Kopplung mit den Spulen 20-1, 20-2 und 20-3 summiert die Rechteckspannung VT mit der jeweiligen Stufenspannung von den Hauptwechselrichtern 54, 56 und 58 zur Bildung der drei Spannungen VO 1, VO 2 und VO 3.

Claims (5)

1. Wechselrichter, bei dem eine annähernd sinusförmige Ausgangsspannung durch die Addition mehrerer periodischer Rechteckspannungen mit gleichem Tastverhältnis erzielt wird, mit

• - einem Hauptwechselrichter (10) zur Bildung einer der Spannungen mit rechteckförmigem Verlauf (VM);
• - einem Rechteckspannungsgenerator (12), der eine Rechteckspannung (VT) mit geringerer Amplitude als der Hauptwechselrichter (10) liefert, aber mit diesem synchronisiert ist und deren Frequenz gleich der dreifachen der Wechselrichter-Ausgangsspannung (VO) ist; und
• - einer Additionseinrichtung (14) zur Addition der einzelnen rechteckförmigen Spannungen (VM, VT);

dadurch gekennzeichnet, daß die vom Hauptwechselrichter (10) gelieferte Spannung (VM) einen stufenförmigen Verlauf aufweist, der zwischen 30° und 150° bzw. 210° und 330° in jeder Periode der Ausgangsspannung einen positiv (VM 2) bzw. negativ gerichteten Maximalwert ( - VM 2) erreicht, und der zwischen 0° bis 30° und 150° bis 180° bzw. zwischen 180° bis 210° und 330° bis 360° in jeder Periode der Ausgangsspannung einen positiven (VM 1) bzw. negativen Spannungswert ( - VM 1) aufweist, der etwa halb so groß ist wie der Maximalwert; und daß der Hauptwechselrichter (10) aufweist:

• - eine Brückenschaltung, gebildet aus vier steuerbaren Schaltern (35, 36, 38, 40);
• - eine Ausgangsspule (20), die eine gegenüber der Spulenmitte versetzte Anzapfung besitzt, an der die Ausgangsspannung (VO) abgenommen wird, deren Wicklungsanfang bzw. -ende in einer der Brückendiagonalen mit jeweils zwei Schaltern (35, 36; 38, 40) verbunden sind;
• - eine Schaltsteuereinrichtung (50), die zur Bildung der maximalen Werte der stufenförmigen Spannung (± VM 2) abwechselnd jeweils zwei Schalter (35, 38; 36, 40) gleichzeitig ansteuert, durch die Wicklungsanfang und -ende der Spule (20) mit einer Gleichspannung gleicher Polarität (+ V bzw. - V) verbunden werden, und die zur Bildung der Stufenspannungen mit dem niedrigen Wert (± VM 1) abwechselnd jeweils zwei Schalter (35, 40; 36, 38) gleichzeitig ansteuert, wodurch Wicklungsanfang und Wicklungsende der Spule (20) an eine Gleichspannung miteinander entgegengesetzter Polarität angeschlossen werden.

2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufenspannung (VM) und die Rechteckspannung (VT) so gewählt werden, daß sich durch deren Addition folgende, auf den Scheitelwert V _p der angestrebten Sinusspannung (S) bezogene Spannungspegel ergeben:
| 0,262 V _p | in den Bereichen 0-30°, 150-210°, 330-360°; | 0,716 V _p | in den Bereichen 30-60°, 120-150° 210-240, 300-320°; und | 0,978 V _p | in den Bereichen 90-120°, 240-300°.

3. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Rechteckspannung (VT) gleich 0,15 der Maximalspannung der Stufenspannung |VM 2 | beträgt; und daß die Amplitude der Stufenspannung während der Stufe mit dem niedrigen Wert (|VM 1 |) zu 0,452 |VM 2 | gewählt wird.

4. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung einer dreiphasigen Wechselspannung für jeweils eine Phasenspannung (VO 1, VO 2, VO 3) jeweils ein Hauptwechselrichter (54, 56, 58) angeordnet ist, von denen jeder eine Ausgangsspule (20-1, 20-2, 20-3) mit einer Sekundärwicklung (52-1, 52-2, 52-3) besitzt und wobei diese Sekundärwicklungen in Reihe miteinander verbunden sind und wobei das eine Ende dieser Reihenverbindung am neutralen bzw. geerdeten Leiter (60) angeschlossen ist und das andere am Verbindungspunkt (30) der in Reihe geschalteten Stromquellen (26, 28).