DE2801141A1

DE2801141A1 - Wechselrichterschaltung

Info

Publication number: DE2801141A1
Application number: DE19782801141
Authority: DE
Inventors: George Vayne Allen; Bruce Charles Felton
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1977-02-28
Filing date: 1978-01-12
Publication date: 1978-08-31
Also published as: IT1112660B; FR2382128B1; IT7820145A0; GB1598483A; JPS53107619A; FR2382128A1

Description

Wechselrichter schaltung

Die Erfindung betrifft eine Wechselrichterschaltung zum Umformen von Gleichstrom auf Wechselstrom und insbesondere einen Wechselrichter, der aus einer Gleichstromquelle eine Spannung einer vorbestimmten Wellenform an eine Wechselstromlast liefert, wobei die Last stark induktiv sein oder zu Einschwingvorgängen neigen kann, wodurch die Wellenform der abgegebenen Spannung verzerrt werden kann.

!Beschreibung des Standes der Technik

Bei vielen Anlagen der Datenverarbeitung sowie auch bei anderen Anlagen ist es wichtig, eine ununterbrochene Stromversorgung sicherzustellen. Dabei wird normalerweise im Gleichstromteil einer Wechselstrom-Gleichstrom-Wechselstrom-Versorgung eine Reihe oder Gruppe von Batterien vorgesehen, wenn, wie bei Datenverarbeitungsanlagen, eine vollständig ununterbrochene Stromversorgung erforderlich ist. Ferner kann ein Dieselgenerator vorgesehen sein, der die Batterien geladen hält, wenn das öffentliche Netz für mehr als einige Minuten ausfällt, wobei in jedem Fall unmittelbar beim Ausfall des öffentlichen Netzes die Batterien die Stromquelle darstellen. Bei Systemen dieser Art wird ein Gleich-•trom-Wecheelstromumformer vorgesehen, der die Batteriespannung auf eine Wechselspannung mit Netzfrequenz umsetzt. Die meisten mit kontaktlosen oder Festkörper-Gleichrichtern arbeitender Umformer oder Wechselrichter sind jedoch nicht in der Lage, Jhne Verzerrung und mit gutem Wirkungsgrad eine induktive und/oder rasch sich ändernde Last mit Strom zu versorgen. Der Crund dafür liegt darin, daß die überwachung und Re-

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gelling der Wellenform eine offene Regelschleife darstellt und nicht die aus der Last in rückwärtiger Richtung fließende Energie berücksichtigt. Wenn eine sinusförmige Spannung an eine induktive Last angelegt wird, dann gibt es Zeiten, bei ! denen die Polarität des in die Last hineinfließenden oder aus der Last herausfließenden Strom der Polarität der zu diesem Zeitpunkt an die Last angelegten Spannung entgegengesetzt ist. Wenn diese Polaritäten einander entgegengesetzt sind, dann muß Energie von der Last nach der Quelle i

zurückfließen. Wenn die Wechselrichtersteuerung diese Be- ^: triebsart nicht berücksichtigt, dann werden die angelegte j Spannung und der daraus resultierende, die Last durchfließende! Strom gegenüber der gewünschten sinusförmigen Wellenform < stark verzerrt. ,

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird für eine Wechselrich-¹terschaltung eine Stromquelle/Stromsenke vorgesehen, die, gesteuert durch eine Rückkopplungsschaltung, die auf eine Abweichung der Wellenform der der Last zugeführten Spannung im Vergleich mit der gewünschten Wellenform der Ausgangsspannung !anspricht, Strom an eine Wechselstromlast liefert oder Strom von dieser Wechselstromlast aufnimmt, wobei Stromquelle und Stromsenke abwechselnd bei einer Frequenz betrieben werden, die im Vergleich mit der Frequenz der Bezugswellenform hoch ist. Vorzugsweise arbeitet die Rückkopplungssteuerung gemäß einer Funktion des Augenblicksfehlers zwischen der tatsächlichen Ausgangespannung und der Bezugsspannung, wobei diese Funktion •inen der Änderungsgeschwindigkeit des Fehlers entsprechenden Ausdruck enthält, so daß die Korrekturwirkung ein Element der Vorausschau für eine genauere Verfolgung des Bezugssignals enthält. Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung liefert die Quelle positive und negative Polaritäten, und

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jeder Pol der Stromquelle kann mit der Last über einen in beiden Richtungen leitenden Schalter verbunden werden, so daß jede der positiven und negativen Quellen/Senken in dem ausgangsseitig tatsächlich zur Verfügung stehenden Strom Änderungen erzwingt, die zwangsläufig Änderungen in der Ausgangsspannung zur Folge haben, so daß diese der gewünschten Ausgangsspannungs-Wellenform folgt.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung enthält der Ausgangskreis einen parallel geschalteten Filterkondensator,

ideseen Ladung durch die ständige Veränderung des Quellen/ Senkenstroms nach und von dem Kondensator in dem Netzwerk Veränderungen ausgesetzt ist, wobei dieses Netzwerk die Quelle/Senke einerseits und andererseits die über dem Kondensator angeschlossene Nutzlast enthält. Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß dieses im Ausgang eingeschaltete Filter zwischen der Quelle/Senke und dem Kondensator des Filters eine Induktivität oder Spule enthält, die !praktisch verlustfrei die Potentialdifferenzen zwischen der Quelle/Senkespannung und der gewünschten Spannungswellenform Iüber dem Kondensator absorbiert.

j Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels !in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen im einzelnen

;beschrieben. Di· für schutzfähig erachteten Merkmale der !Erfindung sind den Patentansprüchen im einzelnen zu entnehmen.

In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Gleichstrom/Wechselstromnetzteils gemäß der Erfindung,

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Pig. 2 ein Blockschaltbild einer Rückkopplungssteuerung für einen geschlossenen Regelkreis in der in Fig. 1 dargestellten Schaltung,

Fig. 3 Spannungs-, Strom- und Leistungsverlauf bei einer Last mit dem Leistungsfaktor oder Verlustwinkel Null zur Darstellung eines Grenzwertes beim Rückfluß von Energie bei der Stromversorgung von Wechselstromlasten,

Fig. 4 die Beziehungen zwischen Strom, Spannung und Leistung bei einer tyj
nacheilenden Last und

Leistung bei einer typischerweise um 60°

Fig. 5 eine Darstellung der Quellen- und Senkenfunktionen des Stromversorgungsteils der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 für die notwendige Energieübertragung bei der Stromversorgung einer Last mit den Eigenschaften gemäß Fig. 4, ohne daß dabei der Verlauf der Ausgangsspannung verzerrt wird.

Die in Fig. 1 gezeigte Schaltungsanordnung enhält ein Paar Batterien +E und -E, die mit den Anschlußleitungen 10 und (+ und -) verbunden sind. Zwei Eingangsklemmen 14 und ί16 sind für die Aufladung der Batterien +E und -E aus einer j äußeren Quelle, wie z.B. einem durch das öffentliche Netz gespeisten Gleichrichter oder einen Motorgenerator-Maschinen-'satz oder dgl., vorgesehen. Zwei Schalter 18 und 20 verbinden die Eingangsleitungen 10, 12 mit dem Eingang 22 eines Filters 24, das wiederum die Ausgangsklemmen 26, 28 speist, an den eine Wechselatromlast 30 angeschlossen sein kann.

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Eine Rückkopplungsverbindung 32 liefert ein der Ausgangsspannung entsprechendes Signal an einen Eingang einer Rückkopplungssteuerung 34. Am anderen Eingang der Rückkopplungssteuerung 34 ist über eine Leitung 36 ein Oszillator 38 angeschlossen, der als Bezugspannung eine sinusförmige Spannung an die Rückkopplungesteuerung 34 liefert, wobei diese Bezugsspannung den für die Ausgangsspannung gewünschten sinusförmigen Verlauf aufweist.

Die auf den Auegangsleitungen 40 und 42 der Rückkopplungssteuerung 34 auftretenden Signale stellen Funktionen der : Beziehung zwischen der durch die Rückkopplungsleitung 32 abgefühlten tatsächlichen Ausgangsspannung zu der über Leitung 36 durch den Oszillator 38 abgegebenen gewünschten Ausgangsspannung dar. Diese auf den Ausgangsleitungen 40, 42 auftretenden Signale steuern dabei die Schalter 18, 20 in der Weise, daß die an den Klemmen 26, 28 der Last 30 zugeführte Ausgangsspannung dem Verlauf der gewünschten Ausgangsspannung folgt.

In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung bestehen die Schalter 18, 20 jeweils aus einem Transistor 44, 46, dem ' jeweils eine Diode 48 bzw. 50 parallelgeschaltet ist, wobei jede Diode in bezug auf den zugehörigen Transistor gegen- i sinnig gepolt ist. Demgemäß kann jeder der Schalter 18, 20 in beiden Richtungen leiten.

Der Schalter 18 verbindet die Batterie +E über den Transistor 44 mit dem Eingang 22 des Filters 24, gesteuert durch die an der Basis des Transistors 44 angeschlossene Steuerleitung 40. Andererseits verhindert die zugehörige Diode 48 ein Annteigen der Filtereingangsspannung am Punkt 22 über den Wert fE hinaus. In gleicher Weise besteht Schalter 20 aus eineu Transistor 46, der an seiner Bssis über die Steuerleitung 12 angesteuert wird, und die Filtereingangeklemme

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22 mit der Minusleitung 12, d.h. mit der Batterie -E verbindet, wobei die zugehörige Diode 50 verhindert, daß die Spannung an der Klemme 22 unter den Wert der Batteriespannung -E abfällt.

Man sieht, daß die Schalter 18, 20 die an der Eingangsklemme 22 liegende Spannung auf einer Spannungsabweichung innerhalb des Spannungsabfalls der Diode (etwa 1 Volt) innerhalb der Grenzwerte von +E, -E halten. Daher kann als Ergebnis dieser Begrenzung und der durch die Rückkopplungssteuerung 34 über die Steuerleitungen 40, 42 der Basis der Transistoren 44, 46 zugeführten Steuersignale oder Steuerfunktionen die Ein- [ gangsklemme 22 Strom abgeben oder aufnehmen. In Fig. 1 ist die gesamte Batteriekapazität in zwei Teile unterteilt, so daß jeweils eine Quelle für positive und eine Quelle für negative Spannung zur Verfügung steht. Damit können die Schalter unmittelbar zwischen den Stromquellen und dem Ausgangsfilter eingeschaltet werden, ohne daß ein Gegentakttransformator oderI andere Bauelemente für eine Umkehr der Polarität der ange- j schalteten Quelle erforderlich wären.

Das Filter 24 enthält eine Längsinduktivität 52 und eine !Querkapazität 54. Die Kapazität 54 dient zur Glättung der ! Ausgangsspannung, und die Induktivität 52 wirkt als Reihen-

impedanz und absorbiert die Potentialdifferenz zwischen der Eingangeklemme 22 und der Ausgangsklemme 26, d.h. die augenblickliche Potentialdifferenz zwischen der an der Klemme 22 angeschlossenen Quelle/Senke +E, -E und der am Filterkondensator 54 liegenden Spannung. In der dargestellten Aueführungsform kann die Spule 52 als mit Ausnahme ihres Eigenwiderstandes als verlustlos angesehen werden.

Die Rückkopplungssteuerung 34 in Fig. 1 betätigt dabei die Schalter 18 und 20 gemäß einer Funktion der Differenz oder des Fehlers zwischen der tatsächlichen Ausgangsspannung an

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den Ausgangsklemmen 26, 28 des Stromversorgungsteils und dem über Leitung 36 ankommenden Bezugssignal. Vorzugsweise enthält diese Funktion einen der Änderungsgeschwindigkeit dieser Differenz entsprechenden Ausdruck, so daß die Korrektur eine gewisse Vorausschau enthält, wodurch eine genauere Anpassung an das Bezugssignal ermöglicht wird.

Fig. 2 zeigt schematisch als Blockschaltbild die diese Funktion liefernde logische Schaltung. Es leuchtet ohne weiteres ein, daß verschiedene Steuerschaltungen für die erwünschte hochfrequente Umschaltung für eine genaue, in Bruchteilen eines Zyklus erfolgende Anpassung an die Bezugsspannung möglich sind. Die in Fig. 2 dargestellte logische Schaltung ist nur ein Beispiel für eine derartige Anordnung.

In der in Fig. 2 gezeigten Rückkopplungssteuerung wird die auf Leitung 32 auftretende, an der Ausgangsklemme 26 des Stromversorgungsgeräts auftretende Spannung in einem Differentialverstärker 60 mit der vom Oszillator 38 über Leitung 36 gelieferten Bezugsspannung verglichen. Das sich dabei ergebende Fehlersignal wird über Leitung 62 einem Differenzierglied 64 zugeleitet, und das Ausgangssignal des Differenziergliedes wird durch eine Untersetzerschaltung oder Zählschaltung 66 hindurchgeleitet, deren Ausgangssignal in einer

Mischstufe 68 dem über Leitung 70 ankommenden rohen Fehler-I signal hinzu addiert wird. Der größte Wert der untersetzten

¹ de

Differentialkomponente K ^f- sollte in der Größenordnung

des größten zu erwartenden Wertes des Fehlersignals e liegen.

de Das daraus sich ergebende Signal e + K jjr; wird zwei Vergleichsstufen 72 und 74 zugeführt, in denen dieses Signal jeweils mit Schwellwertpotentialen +A bzw. -A verglichen wird. Die Potentiale +A und -A können durch irgendeine, nicht gezeigte Vorspannungsguelle geliefert werden. Für einen quadratischen Mittelwert der Ausgangsspannung von 120 Volt

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können +A und -A in der Größenordnung von 1 Volt liegen. Diese beiden Schwellwerte liefern einen unwirksamen Bereich, dessen Breite in Verbindung mit den anderen Parametern der Stromversorungsschaltung die bei Teilen eines Zyklus liegende Frequenz bestimmt, mit der der Wechselrichter mit seiner Ausgangsspannung sich an den Verlauf der Bezugsspannung annähert. Diese Frequenz kann dabei etwa in der Größenordnung des 50-fachen der Grundfrequenz der Stromversorgungsschaltung liegen. Die Verwendung eines unwirksamen Bereichs zur Steuerung dieser Teilzyklusfrequenz ist als Beispiel zu werten. Andere Mittel zur Beschränkung dieser Frequenz könnten stattdessen verwendet werden, beispielsweise eine Taktgeberschaltung, mit der eine kleinste Einschaltzeit für die Transistoren der Schalter 18 und 20 eingestellt werden könnte. Die Ausgangssignale der Vergleichsstufen 72 und 74 werden an den Einstell- bzw. Rückstelleingang einer Verriegelungsschaltung

de
abgegeben. Wenn ^{e + K} jjr positiver als +A ist, dann wird die VerriegelungeSchaltung eingestellt. Ist dieser Wert negativer als -A, dann wird die Verriegelungsschaltung zurückgestellt. Die Ausgangssignale 1 und 0 der Verriegelungsschaltung werden Trennschaltungen 76 bzw. 78 zugeführt, deren Auegangssignale den Basissteuerleitungen 40, 42 der Transistoren 44, 46 der Schalter 18, 20 zugeführt werden. Die Trennschaltungen 76, 78 können beispielsweise aus einer lichtemittierenden Diode und einem Fototransistor für die Gleichstromtrennung bestehen, so daß ein Bezugswert für die auf den Leitungen 4O, 42 liegenden Basissteuersignale über jeine an der Klemme 22 angeschlossene Leitung 80 den Emittern der Transistoren 44, 46 zugeführt werden kann. Da in dem dargestellten Beispiel die Transistoren 44, 46 vom entgegengesetzten Leitungstyp sind, kann ausgangsseitig bei der !Entkoppelstufe 76 eine Inversion durchgeführt werden. Andererseits könnten beiden Basissteuerleitungen an einer der Entkoppelstufen, wie z.B. die Entkoppelstufe 76 angeschlos-

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sen sein, so daß dann ein Ausgangssignal 1 der Verriegelungsschaltung ale Basisansteuerung für den Transistor 46 und zum Sperren des Transistors 44 dienen würde und umgekehrt.

Die Arbeitsweise der Stromversorgungsschaltung wird nunmehr in Zusammenhang mit den Fign. 3, 4 und 5 beschrieben. Fig. 3 dient der Erläuterung der Schwierigkeiten, die bei einem mit Festkörperelementen arbeitenden Wechselrichter bei stark induktiver Last auftreten können, wobei im dargestellten Beispiel eine rein induktive Last durch eine sinusförmige Wechselspannung angesteuert wird. In diesem Fall eilt der die Last durchfließende Strom 100 hinter der angelegten Spannung 102 um 90° nach. Der entsprechende Energiefluß ist das Ergebnis des jeweiligen Produktes aus Spannung und Strom an der Last. Zwischen 0 und 90° hat dieses Produkt ein negatives Vorzeichen, und die Energie fließt, wie bei 104 angedeutet ist, von der Last nach der Quelle. Zwischen 90° und 180° hat das Produkt ein positives Vorzeichen, und die Energie fließt nunmehr, wie bei 106 angedeutet, in Richtung der Last. Im dritten Quadranten des Zyklus fließt die Energie wiederum in Richtung auf die Quelle, wie dies bei 108 angezeigt ist, und im vierten Quadrant, wie bei 110 gezeigt, in Richtung der Last. In diesem Beispiel ist die resultierende !Ausgangsleistung O₁ und die Stromversorgungsschaltung müßte praktisch ebensoviel Energie an die Quelle liefern, als Energie von der Quelle an die Last zu liefern wäre.

ι In der etwas realistischeren Situation gemäß Fig. 4 eilt j der die Last durchfließende Strom 120 der Ausgangsspannung 122 um 60° nach. D.h., zwischen 0 und 60° und zwischen 180° und 240° muß die Stromversorgungsschaltung als Energiesenke arbeiten, während sie von 60° bis 180° und von 240° bis 360° als Stromquelle arbeiten muß. Damit die Ausgangsspannung 122, wie dargestellt, zwischen 0 und 60° ansteigt, muß der Kondensator 54 aufgeladen werden. Demgemäß wird ein Teil

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des Stromes 120, der während dieser Zeit von der Last angenommen wird, den Kondensator 54 aufladen, während der Rest die Induktivität 52 durchfließen und durch die an der Klemme 22 des Filters angeschlossene Wechselrichterschaltung angenommen werden muß. Zwischen 60° und 90° muß die Quelle sowohl den anwachsenden positiven Ausgangsstrom 120 und den für die weitere Aufladung des Kondensators 54 auf seine positive Spitzenspannung erforderlichen Strom liefern. Anschließend nimmt zwischen 90° und 150° die auf dem Kondensator 54 liegende Ladung ab, wie dies durch die Ausgangsspannungekurve 122 dargestellt ist, woraus sich ein von dem Kondensator 54 abfließender Strom ergibt, der sich mit dem von der Quelle durch die Induktivität fließenden Strom kombiniert und damit den ansteigenden, die Last durchfließenden Strom 12O unterstützt. Mit anderen Worten verringert der Kondensator 54 den Grad, um den der nach und von dem Wechselrichter durch die Induktivität 52 fließende Strom hinter der Ausgangsspannung nacheilt. Dies wird in der Schaltung gemäß Fig. 1 automatisch erreicht, da der in der Induktivität 52 fließende Strom eich automatisch so einstellt, daß er der gewünschten Ausgangswellenform folgt.

Fig. 5 ist eine schematische Teilansicht der Wellenform 130 dec die Induktivität 52 durchfließenden Stroms und der Spannung 131 an der Klemme 22 während des Arbeitens der Schalter 18, 20 zur Steuerung des Stromes. Man sieht, daß der Strom sich um einen geglätteten oder Mittelwert 132 herum bewegt, der zur Speisung des Parallelnetzwerks von Last 30 und Filterkondensator 54 erforderlich ist. Für eine klare Darstellung sind die Breite des durch die Schwellwertpotentiale +A, -A (Fig. 2) festgelegten unwirksamen Bereiches, die Schwingungsperiode um den Mittelwert 132 und der Betrag, um den der Mittelwert 132 dem die Last durchfließenden Strom voraneilt, in Fig. 5 übertrieben dargestellt.

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Wenn die bei 30 in Fig. 1 abgefühlte Ausgangsspannung den Augenblickewert der über Leitung 36 ankommenden Bezugsspannung überschreitet, dann schaltet die Rückkopplungssteuerung

de unter Berücksichtigung der Wirkung von +A und K -rr den Transistor 44 ab und den Transistor 46 ein. Damit ist aber die Klemme 22, die bisher mit der positiven Eingangsleitung 10 verbunden war, nunmehr, wie bei 136 zu sehen, an der Spannung -E der Leitung 12 angeschlossen. Wenn zu diesem Zeitpunkt (bei eingeschalteten Transistor 46) der in der Induktivität 52 fließende Strom negativ, d.h. in Richtung auf die Klemme 22 gerichtet, ist, dann fließt dieser negative Strom durch den Transistor 46 und versucht anzuwachsen. Dies ist bei 138, 136 in Fig. 5 gezeigt. Mit einer positiven Spannung auf dem Kondesator 54 und einem negativen Laststrom (vergleiche Fig. 4) wird dadurch die Ladung auf dem Kondensator 54 solange verringert, bis die über die Rückkopplungsleitung 32 abgefühlte Ausgangsspannung geringfügig unter die Bezugsspannung abgefallen ist, wodurch dann die Rückkopplungssteuerung ihre Wirkungsweise umkehrt, den Transistor 46 abschaltet und den Transistor 44 einschaltet. Der negative, die Induktivität 52 in Richtung auf die Klemme 22 durchfließende Strom bewirkt, daß die Spannung an der Klemme 22 ansteigt und über die Diode 48 nach der Eingangsleitung 10 für die Batterie +E abgeleitet wird. Dies hat zur Folge, daß die Größe des negativen, die Induktivität durchfließenden Stromes verringert wird, wie dies in Fig. 5 bei 140, 142 dargestellt ist. _]

Man sieht also, daß bei negativem, die Induktivität 52 durch fließenden Strom tatsächlich der Transistor 46 die Steuerung übernimmt, während die Diode 48 die Begrenzungswirkung liefert. Wenn der Strom seine Richtung umkehrt und positiv ist, dann steuert in Wirklichkeit der Transistor 44, während die Diode 50 die Begrenzung liefert. In manchen Schaltnetz-

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werken mag es erwünscht sein, diese Rollenumkehr durch einen Nulldurchgangsdetektor für den die Induktivität durchfließenden Strom anzuzeigen. Dies ist insbesondere für einen Thyristorschalter erwünscht. In der hier dargestellten Transistorschaltung ist die Steuerung viel einfacher, und diese Funktion läuft vollkommen automatisch ab. Die Dioden leiten immer dann, wenn sie in Durchlaßrichtung vorgespannt sind, und es 1st kein Nachteil, wenn die Schalttransistoren in Durchlaßrichtung immer dann angesteuert werden, wenn dies die Rückkopplungssteuerung so fordert, wobei natürlich vorausgesetzt ist, daß eine ausreichend hohe Impedanz und andere strombegrenzende Schaltelemente in den Steuerleitungen für die Basis der Transistoren vorhanden sind, um einen übermäßig hohen, zwischen Kollektor und Basis fließenden Strom zu verhindern.

Wenn der Strom von der Klemme 22 über die Diode 48 nach der Leitung 10 fließt, wird die Batterie +E geladen. Wenn andererseits der Strom über die Diode 50 fließt, dann wird die Batterie -E geladen. Wenn daher die Potential- und Stromwerte an

der Klemme 22 von entgegengesetztem Vorzeichen sind, dann wird Energie in den Batterien eingespeichert (oder in jeder anderen Energiesenke, die über den Klemmen 14, 16 angeschlossen sein kann). Zu anderen Zeitpunkten liefern die Batterien +E oder -E und/oder andere über den Eingangsklemmen 14, 16 angeschlossene Versorgungsgeräte Energie an die Kombination aus Kondensator 54 und Last 30. Die Arbeitsweise der Schalter 18, 20 wird durch die Rückkopplungssteuerung 34 in der Weise gesteuert, daß die Einschaltzeit im Vergleich zur Ausschaltzeit von +E, -E automatisch zum Erzielen eines derartigen Energieflusses gesteuert wird. Die Werte von +E und -E sollten dabei wesentlich größer sein als die maximale Wechselspannungsamplitude des bei 26, 28 auftretenden Ausgangssignals, so daß für ein schnelles Ansprechen über der Induktivität 52 eine ausreichende Potentialdifferenz zur

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Verfügung steht. +E und -E wären dabei beispielsweise in der Größenordnung von 250 Volt für einen quadratischen Mittelwert von 120 Volt zu wählen.

In der bisherigen Beschreibung waren sinusförmige Spannungen

angenommen worden. Dies trifft zu, wenn der Bezugsspannungsgenerator 38 eine sinusförmige Spannung liefert und die Last 30 eine stetige Wechselstromlast darstellt. Die in Fig. 1 gezeigte Stromversorgungsschaltung kann auch nichtlineare Lasten speisen (Lasten mit raschen nicht sinusförmigen Stromimpulsen oder Spannungsschritten). Die Rückkopplungssteuerung wird dabei zwangsläufig Strom in den Kondensator 54 einspeisen oder diesem entziehen und zwar jeweils soviel, wie ¹ zur Anpassung an den Spannungsverlauf der Bezugsspannung erforderlich ist. Zn gleicher Weise kann durch den Bezugsspannungsgenerator 38 eine nicht sinusförmige Bezugsspannung geliefert werden, und in diesem Fall werden ebenfalls durch den Wechselrichter Ströme geliefert oder entnommen, so daß das an den Klemmen 26, 28 auftretende Ausgangssignal dieser anderen Wellenform ebenfalls folgt.

Beim Entwurf der Induktivität L in Henry der Spule 52 wird der erforderliche Wert von di/dt zugrunde gelegt. Den Wert von di/dt findet man dadurch, daß man den maximalen, durch die Last 30 geforderten Wert von di/dt dem durch den Filterkondensator 54 geforderten Wert von di/dt an dem Punkt in der Wellenform hinzu addiert, an dem der höchste Wert von di/dt der Last erforderlich ist. Dann wird

τ „ ^(E " ^EAUS* zum Zeitpunkt des größten di/dt

di/dt

der Last.

Der Entwurf des Filterkondensators 54 ist eine Funktion der noch zulässigen Welligkeit. Einen angenäherten Wert für

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die Kapazität C in Farad des Kondensators 34 unter Vernachlässigung der Widerstände in dem Filter 24 lassen sich wie folgt ermitteint

T = Zeit eines Halbzyklus der Ausgangsspannung, ρ = die Summe der Umschaltungen von +E nach -E und -E nach

+E je Halbzyklus der Ausgangsfrequenz bei Vollast, E = die hochstzulässige Brummspannung Spitze/Spitze und I « maximaler/ die Filterdrossel durchfließender Strom bei

Vollast,
dann erhält man

I_n(T/P)

Dem Fachmann sind sofort verschiedene Abwandlungen oder Änderungen geläufig. Selbstverständlich könnten beispielsweise für die Transistor-Diodenschalter 18, 20 Thyristorschalter oder elektromechanische Schalter eingesetzt werden. Ein Beispiel eines solchen Thyristorschalters ist beispielsweise in IBM Technical Disclosure Bulletin Band 16, Nr. 9 (Febr. 1974) Seiten 2926, 2927 gezeigt. Obgleich ebenfalls ein reines Wechselspannungs-Ausgangssignal dargestellt wurde mit einem reinen Wechselspannungs-Bezugssignal, so leuchtet doch ohne weiteres ein, daß Bezugsspannung und Ausgangs-Signal auch eine Gleichstromkomponente haben können. Dies wird insbesondere durch die direkte Kopplung mit dem Ausgang erleichtert, ohne einen dazwischenliegenden Tranformator sowie durch die Spannungsquelle +E, -E und die dargestellte Schalteranordnung.

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I e e r s e i t e

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

Wechselrichterschaltung zur Speisung einer an den Ausgangsklemmen angeschlossenen Last, gekennzeichnet durch eine Gleichstromquelle/Senke (+E, -E), die über in beiden Richtungen leitende Schaltmittel (52, 54) mit den Ausgangsklemmen (26, 28) verbunden ist, ferner durch eine Bezugsspannungsquelle (38), deren Ausgangssignal mindestens eine Wechselspannungskomponente aufweist, sowie durch eine auf eine Abweichung der an den Ausgangsklemmen (26, 28) auftretenden Spannung von der Bezugsspannung ansprechende Rückkopplungssteuerung (34, 32, 40, 42), wodurch die Quelle/Senke in Abhängigkeit von der Rückkopplung einen Strom an die Schaltmittel abgibt oder von den Schaltmitteln aufnimmt, wobei die Quelle/Senke mit einer Frequenz an- und abgeschaltet wird, die im Vergleich zur Frequenz der Wechselspannungskomponente der Bezugsspannung hoch ist.

Wechselrichterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Quelle/Senke eine Gleichspannungsquelle (+E, -E) dient, deren Pole (10, 12) über die in zwei Richtungen wirksamen Schalter (18, 20) abwechselnd an die Ausgangsklemmen (26, 28) anschaltbar sind.

Wechselrichterschaltung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsklemmen (26, 28) als Rückstromklemrae wirken, und daß als Gleichstromquelle zwei Batterien (+E, -E) vorgesehen sind, die über die Schalter (18, 20) abwechselnd an die Schaltmittel (52, 54) abschaltbar sind.

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4. Wechselrichterschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel als Filter mit einer Längsinduktivität (52) und einer Querkapazität (54) aufgebaut sind, die zwischen den Schaltern (18, 20) und den Ausgangsklemmen (26, 28) eingeschaltet sind.

5. Wechselrichterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungssteuerung (34; Fig. 2) ein Rückkopplungssignal (e + k ~) liefert, dessen erste Komponente (e) direkt proportional der Fehlerspannung zwischen der an den Ausgangsklemmen (26, 28) auftretenden Ausgangsspannung und der Bezugsspannung und dessen zweite Komponente (Kg^) der ersten Ableitung dieser Fehlerspannung nach der Zeit proportional ist, wodurch die Anpassung der Ausgangsspannung an die Bezugsspannung erleichtert wird.

6. Wechselrichterschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungssteuerung (34; Fig. 2) einen Differentialverstärker·(60), dem die Ausgangsspannung und die Bezugsspannung Über getrennte Eingangsleitungen (32, 36) zuführbar sind, ein Differenzierglied (64) und eine Mischstufe (68) enthält, die einmal unmittelbar am Ausgang des Differentialverstärkers angeschlossen und außerdem über das Differenziergiied (64) mit dem Ausgang des Differentialverstärker s verbunden ist und daß die Mischßtufe (68) über zwei Vergleichsstufen (72, 74) und einem bistabilen Schalter mit den zu den Schaltern (18, 20) führenden Steuerleitungen (40, 42) und mit der zum Ausgang der Schalter führenden Bezugsleitung (80) verbunden ist.

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