DE2834512A1

DE2834512A1 - Umformer

Info

Publication number: DE2834512A1
Application number: DE19782834512
Authority: DE
Inventors: Kazuo Honda; Yasuo Matsuda; Nobuyoshi Muto
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1977-08-10
Filing date: 1978-08-07
Publication date: 1979-02-15
Also published as: US4231083A; CA1126812A; DE2834512C2

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf einen Umformer mit über den Steueranschluß ausschaltbaren Thyristoren.

Thyristoren, die über den Steueranschluß ausschaltbar sind, ■werden durch einen in Sperrichtung fließenden Vorstrom gelöscht , der beim Löschen von der Kathode zum Steueranschluß fließt. Dies unterscheidet ihn vom herkömmlichen Thyristor, der durch eine in Sperrichtung anliegende Spannung zwischen Anode und Kathode gelöscht wird. Wenn ein über den Steueranschluß ■aussehaltbarer Thyristor in einer Schaltung enthalten ist, so kann er bei zu hoher Spannungsanstiegsgeschvrindigkeit dV/dt zerstört werden. Um diesen Durchbruch zu vermeiden, wird eine Einrichtung zur Unterdrückung der zu hohen Spannungsanstiegsgeschwindigkeit dV/dt verwendet. Eine solche Einrichtung wird im allgemeinen als Dämpfungsschaltung bezeichnet; sie enthält eine Parallelschaltung aus einer Diode ,D und einem Widerstand R, die in Reihe mit einem Kondensator C geschaltet ist. Diese Dämpfungsschaltung ist parallel zu dem mit Hilfe des Steueranschlusses ausschaltbaren Thyristor geschaltet. Wenn bei dieser Anordnung der Thyristor ausschaltet, wird der Laststrom I_Q über die Diode D auf den Kondensator C umgeleitet, so daß die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit dV/dt der Spannung zwischen Anode und läfchode des Thyristors auf eine vorbestimmte Geschwindigkeit herabgedrückt wird.

Bei einem Umformer wie einem Wechselrichter oder Zerhacker, der mit Hilfe des Steueranschlusses steuerbare Thyristoren mit einer derarigen Dämpfungsschaltung als Schaltelement enthält, ist in Reihe zu dem Thyristor eine Drossel L geschaltet. Die Drossel verhindert eine zu starke Stromanstiegsgeschwindigkeit di/dt beim Einschalten des Thyristors und im Falle eines Zweig-Kurzschlusses des Thyristors.

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Zur Zeit des Ausschaltens des Thyristors wird eine Energiemenge gleich 1/2 LI₀ in der Drossel gespeichert. Diese Energie stellt eine Schwierigkeit insofern dar, als der selbstlöschende, mit Hilfe des Steueranschlusses ausschaltbare Thyristor im Gegensatz zum herkömmlichen Thyristor keine Zwangskommutierungsschaltung enthält, so daß die Energie ausschließlich über den Kondensator C der Dämpfungsschaltung fließen kann. Damit dieser die Energie "vollständig aufnehmen kann, muß seine Kapazität -verhältnismäßig hoch sein. Da aber die gesamte, im Kondensator C gespeicherte Energie von dem Widerstand R der Dämpfungsschaltung verbraucht wird, steigen die Energieverluste an, wenn die Kapazität des Kondensators C erhöht wird. Mit anderen Worten, der Wirkungsgrad des Umformers wird verschlechtert. Wird andererseits die Kapazität des Kondensators C nicht erhöht, um eine Verminderung des Wirkungsgrads zu vermeiden, so wird der Kondensator C überladen und die Spannung am Kondensator C übersteigt die zulässige Durchbruchspannung des Thyristors, so daß dieser durchschlägt. Eine theoretische Analyse ist in dem Artikel R.L. Steigerwald: "Application Techniques for High Power Gate Turn-off Thyristors"» IAS-AEENUAL 1975, Seiten 165 bis 174 enthalten. In dem Artikel ist vorgeschlagen, zur Verarbeitung der Energie die Drossel L mit einer Diode D2 und einem Widerstand R2 zu überbrücken. Bei dieser Anoraiung übersteigt die Ladespannung zur Zeit des Ausschaltens des aussehaltbaren Thyristors die zulässige Spannung selbst dann nicht, wenn die Kapazität des Kondensators C gering ist. Auf diese Weise kann ein Durchbruch des Thyristors verhindert werden. Aber auch bei dieser Anordnung wird die Energie durch den Widerstand R2 verbraucht und das Problem der Leistungsverluste bleibt ungelöst.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Mangel und Machteile des Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere soll ein Umformer mit über den Steueranschluß ausschaltbaren Thyristoren geschaffen werden, dessen Wirkungsgrad ohne Gefährdung der Thyristoren möglichst hoch ist.

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Erfindungsgemäß wird ein Leistungsumforiner vorgesehen, der eine Einrichtung enthält, mit deren Hilfe die in einer zum Thyristor in Reihe geschalteten Drossel gespeicherte Energie zwangsweise durch eine Steueranschluß-Leistungszufuhr für den Thyristor absorbiert wird. Bei diesem Aufbau schlägt der Thyristor selbst dann nicht durch, wenn die Kapazität des Kondensators der Dämpfungsschaltung gering ist, weil die Energie durch die Steueranschluß-Leistungszufuhr für den Thyristor absorbiert wird. Ferner treten bei der erfindungsgemäßen Anordnung kaum Energieverluste ein, weil die Energie zwangsweise durch die Steueransehluß-Leistungszufuhr für den Thyristor absorbiert wird, statt sie in der herkömmlichen Weise durch einen Widerstand zu verbrauchen. Mit anderen Worten, die Schwierigkeiten hinsichtlich der Wirkungsgradverschlechterung des Umformers sind bei der erfindungsgemäßen Anordnung vermieden.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Umformer, bei dem eine mit einem Thyristor in Reihe geschaltete Drossel in zwei Abschnitte unterteilt ist, wobei die in einem Abschnitt gespeicherte Energie zwangsweise durch eine Steueranschluß-Leistungszufuhr für den Thyristor und die im anderen Drosselabschnitt gespeicherte Energie durch eine Haupt-Leistungszufuhr durch eine Belastung absorbiert wird. Diese Anordnung ist dann besonders wirksam, wenn die in der Drossel gespeicherte Energie zu hoch ist, um nur durch die Steueranschluß-Leistungszufuhr absorbiert zu werden.

Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, daß eine der im Umformer enthaltenen Drosseln, die die Energie zurück zur Steueran3chlu3-leistungszufuhr liefert, notwendig mit der Kathode des Thyristors verbunden ist. Bei dieser Anordnung ist das Potential am Kathodenanschluß gleich dem Potential am negativen Anschluß der Steueranschluß-Leistungsspeisung. Auf diese Weise wird die in der Drossel gespeicherte Energie erfolgreich durch die Steueranschluß-Leistungsspeisung für den mit Hilfe des Steueranschlusses ausschaltbaren Thyristor absorbiert.

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Weitere Ziele, Merkmale, und Torteile der Erfindung ergeben sich, aus der folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele. Es zeigen:
Fig. 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung bei Anwendung bei einem Wechselrichter,

Fig. 2 im Diagramm die Arbeitsweise eines über den Steueranschluß ausschaltbaren Thyristors der Fig. 1' zur Zeit

des Ausschaltens,
Fig. 3 eine Einzelheit der Steueranschluß-Leistungsspeisung

für den ausschaltbaren Thyristor der Fig. 1, Fig. 4 eine abgewandelte Ausführungsform, des Wechselrichters

der Fig. 1,
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Schaltung bei Anwendung bei einem Wechselrichter und Fig. 6 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung bei einem Zerhacker.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung bei einem Wechselrichter. Zwei mit Hilfe des Steueranschlusses ausschaltbare Thyristoren 1 und 2, im folgenden kurz als Thyristoren bezeichnet, sind zwischen die Gleichstrom-Eingangsklemmen 3 und 4 geschaltet. An die Kathoden der Thyristoren 1 und 2 sind Drosseln 5 bzw. 6 angeschlossen. Genauer, die Anode des Thyristors 1 ist an die Gleichstrom-Eingangsklemme 3 (positive Klemme) angeschlossen, während die Drossel 5 zwischen die Kathode des Thyristors 1 und die Anode des Thyristors 2 geschaltet ist. Die Drossel 6 liegt zwischen der Kathode des Thyristors 2 und der Gleichstrom-Eingangsklemme 4 (negative Klemme). Parallel zu den Thyristoren 1 und 2 sind eine Dämpfungsschaltung 7 bzw. 8 geschaltet. Die Dämpfungsschaltung 7 enthält einen Kondensator 71, der in Reihe mit einer Parallelschaltung aus einer Diode 72 und einem Widerstand 73 geschaltet ist» Die Dämpfungsschaltung 8 enthält· einen Kondensator 81, der in Reihe mit einer Parallelschaltung aus einer Diode 82 und einem Widerstand 83 liegt.

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Parallel zu den Reihenschaltungen aus Thyristor 1 und Drossel 5 bzw. Thyristor 2 und Drossel 6 liegen eine Diode 9 bzw. 10. Alternativ kann zur Erzielung eines ähnlichen Effekts die Diode 9 parallel zum Thyristor, 1 und die Diode 10 parallel zum Thyristor 2 geschaltet sein. Eine Ausgangsklemme 12 ist an den Verbindungspunkt zwischen Drossel 5 und Thyristor 2 angeschlossen.

Die Gleichstrom-Eingangsklemmen 3 und 4 sind an Gleichstromquellen 15 bzw. 16 angeschlossen. Die Gleichstrom-Eingangsklemme 3 ist an die positive Klemme der Gleichstrom-Spannungsquelle 15 angeschlossen, während die negative Klemme der Spannungsquelle 15 mit der positiven Klemme der Spannungsquelle 16 verbunden ist; die negative Klemme der Gleichstrom-Spannungsquelle 16. ist mit der Gleichstrom-Eingangsklemme 4 verbunden. Zwischen die Ausgangsklemme 12 und den Verbindungspunkt zwischen den Gleichstrom-Spannungsquellen 15 und 16 ist eine Last 18 geschaltet, die einen Lastwiderstand 181 und eine Lastdrossel 182 enthält.

An die Steueranschlüsse der Thyristoren 1 und 2 ist je eine Steuerschaltung 100 bzw. 200 angeschlossen. Der Thyristor 1 wird auf folgende ¥eise durch d ie Steuerschaltung ein- und ausgeschaltet. Soll der Thyristor 1 eingeschaltet werden, so wird zunächst ein Transistor 103 eingeschaltet. Darauf fließt ein Strom von einer Thyristor-Einschalt-Steuerspannungsquelle 101 über einen Widerstand 102, den Transistor 103 und den Thyristor 1 zurück zur Spannungsquelle 101 . Hierdurch wird der Thyristor 1 eingeschaltet. Soll der Thyristor 1 ausgeschaltet werden, so wird der Transistor 103 gesperrt und ein Transistor 106 geöffnet. Dann fließt ein Strom von einer Thyristοr-Ausschalt-Spannungsquelle 104 über den Thyristor 1 , einen Widerstand 105 und den Transistor 106 zurück zur Spannungsquelle 104, so daß der Thyristor 1 ausgeschaltet wird. Danach wird der Transistor 106 ausgeschaltet. In genau gleicher Weise wird der Thyristor 2 durch die Steuerschaltung 200 ein- und ausgeschaltet. In der Steuerschaltung 200 sind mit 201 eine Thyristor-Einschalt-Spannungsquelle, mit 204 eine Thyristor-Ausschalt-Spannungsquelle, mit 202 und 205 Widerstände und mit 203 und 206 Transistoren bezeichnet. Ö09807/101S

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Wesentliche Merkmale der Ausführungsform der Fig. 1 bestehen darin, daß ein positiver Anschluß der Einschalt-Spannungsquelle 101 für den Thyristor 1 mit dem Verbindungspunkt zwischen Drossel 5 und Thyristor 2 über eine Verbindungsleitung 110 und die negative Klemme der Einschalt-Spannungsquelle über eine "Verbindungsleitung 111 mit dem Verbindungspunkt zwischen Drossel 5 und Thyristor 1 verbunden ist, sowie darin, daß der positive Anschluß der Einschalt-Spannungsquelle 201 für den Thyristor 2 über eine Verbindungsleitung 210 mit dem Verbindungspunkt zwischen Drossel 6 und Gleichstrom-Eingangsklemme 4 und die negative Klemme der Einschalt-Spannungsquelle 201 über die Verbindungsleitung 211 mit dem Verbindungspunkt zwischen Drossel 6 und Thyristor 2 verbunden ist. In die Verbindungsleitungen 110 und 210 ist je eine Diode 107 bzw. 207 eingefügt, um ein Rückfließen des Stromes von der Steuer-Spannungscuelle 101 bzw. 201 zu verhindern.

Anhand Fig. 2 wird die Arbeitsweise des Wechselrichters der Fig. 1 erläutert.

Fig. 2 zeigt die Arbeitsweise beim Ausschalten des Thyristors 1 der Fig. 1. Es sei angenommen, daß der Thyristor 1 des Wechselrichters leitet und der Thyristor 2 gesperrt ist. In diesem Zustand fließt ein Laststrom I„ von der Gleichstrom-Spannungsquelle 15 über die Klemme 3, den Thyristor 1, die Drossel 5, die Klemme 12, die Last 18 und zurück zur Spannungsquelle 15· In diesem Zustand soll nun der Thyristor 1 ausgeschaltet werden. Hierzu wird der Transistor 106 in der Steuerschaltung zur Zeit t_Q (Fig. 2) durchgeschaltet. Dann fließt der Strom von der Ausschalt-Spannungsquelle 104 über den Thyristor 1, den Widerstand 105 und den Transistor 106 zurück zur Spannungsquelle 104, womit der AusschaltVorgang des Thyristors 1 eingeleitet wird. Der Laststrom I_Q wird allmählich auf den Zweig Spannungsquelle 15_T positiver Gleichstromanschluß 3> Dämpfungsschaltung Ί, Drossel 5, Klemme 12, Last 18 und Spannungaquelle

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15 umgeleitet. Zur Zeit t^ ist der Ausschaltvorgang des Thyristors 1 abgeschlossen. In Fig. 2 sind mit L· der Strom des Thyristors 1 und mit I„ der Strom über die Dämpfungsschaltung 7 bezeichnet. Während der Periode t_Q bis t. zwischen Anfang und Ende des Ausschaltvorganges des Thyristors 1 fließen die Ströme I, und I₇ gemeinsam. Zur Zeit t, und danach ist der Strom I, gleich 0 und der Strom I₇ gleich dem Laststrom I_Q. Die Spannung V. am Thyristor 1 steigt vom Beginn des EinsehaltVorganges zur Zeit t_Q allmählich an und ist zur Zeit t₂ gleich der Summe der Spannungen der Gleichstrom-Spannungsquellen 15 und 16, weil der Kondensator 71 der Dämpfungsschaltung 7 durch den Laststrom I_n aufgeladen wird. Von der Zeit tp leitet die Diode 10 und der Laststrom I_Q wird allmählich auf den Zweig Spannungsquelle 16, negativer Anschluß 4» Diode 10, Klemme 12, Last 18, Spannungsquelle 16 umgeleitet. I ^ bezeichnet den in diesem Zustand über die Diode 10 fließenden Strom. Folglich ändert sich von der Zeit t₂ der durch die Drossel 5 fließende Strom allmählich so, daß eine Spannung V,- an der Drossel 5 in der gezeigten Polarität entsteht. Erreicht die Spannung V₁- die Spannung E der Steuer~Spannungsquelle 101 , so beginnt ein Strom I„ von der Drossel 5 über die Leitung Ho, die Diode 107 und die Spannungsquelle 101 zurück zur Drossel zu fließen. Infolgedessen überschreitet die Spannung "V₁- an der Drossel 5 nicht den Wert E . Folglich ist die Spannung 7. am Thyristor 1 gleich der Summe der G-leich-Speisespannung E, und der St euer spannung E (Zeitpunkt t_). Von der Zeit t~ an ist der Strom I₇ gleich 0 und der Strom I* gleich dem Laststrom I_Q. Der Strom I₁- fließt weiter bis zur Zeit t., zu der die gesamte in der Drossel 5 gespeicherte Energie von der Steueranschluß-Speisung absorbiert ist. Von der Zeit t, an kehrt die Spannung V. am Thyristor 1 auf den Wert der Summenspannung E, der Spannungsquellen 15 und 16 zurück.

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Anhand Pig. 3 wird nunmehr die Art und Weise erläutert, in der die in der Drossel 5 gespeicherte Energie von der Steuer-Spannungsquelle 101 absorbiert -wird.

jPig. 3 zeigt eine Einzelheit der Steuer-Spannungsquelle 101 der Fig. 1. Normalerweise wird ein Kondensator 117 durch den von einen Brückengleichrichter 120 gelieferten G-leichstrom I auf die vorbestimmte Spannung E aufgeladen. Der Brückengleichrichter besteht aus vier Dioden 121, 122, 123 und 124 und wandelt die über einen Transformator 118 eingespeiste Wechselspannung in eine Gleichspannung um. Wenn die Spannung Y^- an. der Drossel 5 der Pig. 1 die Steuerspannung E erreicht, fließt der Strom Ip- von der

g 0

Drossel 5 über die Diode 107 zur Steuer-Spannungsquelle 101, wie oben beschrieben. Die in der Drossel 5 gespeicherte Energie ist gleich 1/2 Lq - Iq , worin Lq die Induktivität der Drossel 5 ist. Durch den fließenden Strom Ij- wird eine Energie gleich 1/2 C_Q-••(Δν_) zum Kondensator 117 verschoben (C₀ ist die Kapazität des Kondensators 117, V_Q der Spannuiigs schritt am Kondensator 117 durch den Strom I₁-, wenn die Ladung durch den Strom I vernachlässigt wird).

Das Einsehaltverhalten des aus-steuerbaren Thyristors ist schlechter als das herkömmlicher Thyristoren, um ein besseres Ausschaltverhalten zu gewährleisten. Das bedeutet, daß der aus-steuerbare Thyristor eine größere Steuerleistung benötigt als der herkömmliche Thyristor beim Einschalten. Es trägt daher in hohem Maße zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Wechselrichters bei, wenn die in der Drossel 5 gespeicherte Energie auf die Einschalt-Spannungsquelle 101 verschoben wird. Ist die zum Ausschalten des Thyristors erforderliche Energie größer als die zum Einschalten, 30 kann die in der Drossel 5 gespeicherte Energie zur Ausschal t-Spannungs quelle 104 verschoben werden.

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Es sei nun die Auswirkung der Erfindung bei einem Wechelrichter

von 20
mit einer Nennleistung/JcVA erläutert. Es sei angenommen, daß die Ausgangsfrequenz f_Q des Wechselrichters 1 kHz, der Laststrom I_n gleich 130 A und die Induktivität L_n der an den aus-steuerbaren Thyristor angeschlossenen Drossel 15 ; 10 H beträgt. Die in der Drossel gespeicherte Energie ergibt sich dann aus folgender Gleichung:

P₀ = 1/2 L₀I₀ ²f₀ = 126,75 W

Erfindungsgemäß wird die Leistung P_Q von der Steuer-Spannungsquelle absorbiert. Bei einem dreiphasigen, sechszweigigen Wechselrichter bestehen sechs Kombinationen von Thyristoren und Drosseln. Bei Anwendung der Erfindung auf einen solchen Wechselrichter ist daher die gesamte im Wechselrichter gespeicherte Energie gleich 6Pq = 760,5 W. Beträgt die Ausgangsleistung W des Wechselrichters 18,7 kW, so ist das Verhältnis der GesacfLeistung zur Wechselrichter-Ausgangsleistung:

6P_n

-ψ- χ 100 = 4,06 °/o

Dementsprechend kann bei Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltung eine Verminderung des Wirkungsgrads um etwa 4,06 % vermieden werden, die beim Stand der Technik unweigerlich eintritt. Zusätzlich kann die Leistung der Steuer-Spannungsquelle um einen Betrag vermindert werden, der der von der Drossel wiedergewonnen Energiemenge entspricht .

Fig. 4 zeigt einen der Fig. 1 ähnlichen Wechselrichter mit abgewandelter Steuerschaltung. Diese Ausführungsform eignet sich besonders gut bei hoher Wechselrichterfrequenz. Überschreitet bei der Einschalt-Spannungsquelle 101 der Fig. 1 die Wechselrichterfrequenz einen bestimmten oberen Grenzwert, so ist die von der Drossel 5 absorbierte Leistung größer als die zum Einschalten des Thyristors 1 erforderliche Ausgangsleistung. D. h., die Steuer-Spannungsquelle 101 erzeugt zu viel Energie, so daß die Spannung der Steuer-Spannungsquelle 101 ansteigt. Um einen solchen Spannungsanstieg zu verhindern, ist es üblich, in die Verbindungsleitung 110 der Fig. 1 einen Lastausgleichswiderstand einzufügen.

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-H-

Erfindungsgemäß wird dagegen die von der Steuer-Spannungsquelle 101 erzeugte überschüssige Energie dazu verwendet, die Einrichtung zur Zufuhr des Aussehaltstroms zum Thyristor aufzuladen. Auf diese V/eise wird der Spannungsanstieg der Steuer-Spannungsquelle 101 vermieden. Das vorliegende Ausführungsbeispiel wird nun anhand Pig. 4 näher erläutert. Da der Hauptkreis des Wechselrichters mit dem der Pig. 1 genau identisch ist, bezieht sich die folgende Beschreibung nur auf die Steuerschaltung 150 (oder 250) für den Thyristor 1.

Wenn bei der Steuerschaltung 150 der Fig. 4 der Thyristor 1 ausgeschaltet wird, wird die zum Zeitpunkt der Ausschaltung in der Droesel gespeicherte Energie zur Einschalt-Steuerspannungsquelle 101 verschoben, Wenn der Thyristor 1 als nächster eingeschaltet werden soll, werden die Transistoren 103 und 151 gleichzeitig durchgesehaltet. Dann, fließt der Strom von der Einschalt-Steuerspannungsquelle 101 über den Widerstand 102, den Transistor 103 und den Thyristor 1 zurück zur Spannungsquelle 101 und schaltet den Thyristor 1 aus. Ferner fließt ein Strom von der Spannungsquelle 101 über den Transistor 151, den Widerstand 152, den Kondensator 156 und die Diode 155 zur Steuer-Spannungsquelle 101 (Fig. 4) und lädt den Kondensator 156 mit der gezeigten Polarität. Soll andererseits der Thyristor 1 ausgeschaltet werden, so werden die Transistoren 103 und 105 gesperrt und die Transistoren 106 und 153 gleichzeitig eingeschaltet. Dann fließt ein Strom von der Ausschalt-Spannungsquelle 104 über den Thyristor 1, den Widerstand 105 und den Transistor 106 zur Spannungsquelle 104 und schaltet den Thyristor 1 aus. Der Entladestrom von Kondensator 156 fließt von diesem über den Transistor 153, den Widerstand 154, die Spannungsquelle 104 und die Diode 157 zurück zum Kondensator 156, so daß die Ausschalt-Spannungsquelle 104 zusätzlich aufgeladen wird. Da in der Drossel 5 wiederum Energie gespeichert wird, wiederholt der Thyristor 1 danach den oben beschriebenen Ausschaltvorgang. Die Steuerschaltung

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ist in Aufbau und Arbeitsweise ähnlich der Steuerschaltung 150) ihre Beschreibung erübrigt sich daher.

Fig. 5 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Schaltung bei einem Wechselrichter, die ähnlich wie die Schaltung der Fig. 4 bei sehr hoher 'Wechselrichterfrequenz besonders wirksam ist. Bei der Schaltung der Fig. 5 ist die in Reihe mit jedem Thyristor 1 bzw. 2 geschaltete Drossel in zwei Teile unterteilt, wobei die in einem Drosselteil gespeicherte Energie zwangsweise von der Steuer-Spannungsquelle für den Thyristor absorbiert wird, während die im anderen Drosselteil gespeicherte Energie über die Last der Haupt-Spannungsquelle zugeführt wird. Selbst wenn, daher die Wechselrichterfrequenz hoch ist, wird keine überschüssige Energie in der Steuer-Spannungsquelle für den Thyristor gespeichert, selbst dann, wenn die Steuer-Spannungsquelle nur eine kleine Leistung hat.

Bei der Ausführungsform der Fig. 5 sind die Thyristoren 1 und 2 sowie Drosseln 51, 52, 61 und 62 zwischen die Gleichstrom-Eingangsklemmen 3 und 4 in Reihe geschaltet. Im einzelnen ist die Anode des Thyristors 1 mit der Gleichstrom-Eingangsklenmie 3 verbunden, die Reihenschaltung aus den Drosseln 51, 52 und 61 ist zwischen die Kathode des Thyristors 1 und die Anode des Thyristors 2 geschaltet,·die Drossel 62 schließlich ist zwischen die Kathode des Thyristors 2 und die Gleichstrom-Eingangsklemme 4 geschaltet. Die Dämpfungsschaltungen 7 und 8 sind parallel zu den Thyristoren 1 bzw. 2 geschaltet. Die Dioden 9 und 10 liegen parallel zu den Reihenschaltungen aus dem Thyristor 1 und den Drosseln 51 , 52 und 61 bzw. dem Thyristor 2 und den Drosseln 52.,. 61 und 62. Die Ausgangsklemme 12 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen den Drosseln 52 und 61 verbunden. Die Verbindungen der Gleichspannungsquellen 15 und 16 und der Last. 18, die der Steuerschaltungen 100 und 200 für die Thyristoren 1 bzw. 2 und der Verbindungsleitungen 110, 111, 210 und 211 sind identisch mit denen der Fig. 1; ihre Beschreibung erübrigt sich daher.. Die

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Arbeitsweise des Wechselrichters der Fig. 5 wird anhand Fig. 2 erläutert.

Ist in der Schaltung der Fig. 5 der Thyristor 1 leitend und der Thyristor 2 gesperrt, so fließt der Laststrom I von der Gleichspannungsquelle 15 über die Klemme 3, den Thyristor 1, die Drosseln 51 und 52, die Klemme 12 und die Last 18 zurück zur Spannungsquelle 15. Soll der Thyristor 1 in diesem Zustand ausgeschaltet werden, so wird der Transistor 106 in der Steuerschalung 10Ö zur Zeit t (Fig. 2) eingeschaltet. Damit fließt ein Strom von der Einschalt-Steuer-Spannungsquelle 104 über den Thyristor 1, den Widerstand 105 und den Thyristor 106 zurück zur Steuer-Spannungsquelle 104, so daß der Ausschaltvorgang des Thyristors 1 beginnt. Infolgedessen wird der Laststrom I allmählich auf den Stromzweig Spannungsquelle 15, Klemme 3, DäcipEuigsschaltung 7, Drosseln 51 und 52, Klemme 12 und Last 18 zurück zur Spannungsquelle 15 umgeleitet. Der Ausschaltvorgang des Thyristors 1 endet zur Zeit t. (Fig. 2). Zwischen t und t. zwischen Beginn und Ende des EinsehaltVorganges des Thyristors 1 fließen die Ströme L· und I,-,. Beginnend zur Zeit t. ist der Strom I. gleich 0 und/der Strom I„ gleich dem Last strom I . Die Spannung am Thyristor 1 steigt allmählich vom Beginn des EinsehaltVorganges zur Zeit t bis auf die Summenspannung E, der Spannungen der Spannungsquellen 15 und 16 zur Zeit t« an, weil der Kondensator C der Dämpfungsschaltung durch den Laststrom I_Q aufgeladen wird. Beginnend bei der Zeit t~ leitet die Diode 10, so daß der Laststrom I allmählich auf den Strompfad Spannungsquelle 16, Klemme 4, Diode 10, Drossel 52, Klemme 12 und Last 18 zurück zur Spannungsquelle 16 umgeleitet wird. In diesem Zustand fließt ein Strom I. über die Diode 10. Entsprechend ändert sich beginnend zur Zeit t„ der über die Drossel 51 fließende Strom allmählich und es fällt eine Spannung V-. der gezeigten Polarität ab. Erreicht die Spannung Y₁.* die Spannung E der Steuer-Spannungsquelle 101, so beginnt der Strom Γ,- von der Drossel 51 über die

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Leitung 110, die Diode 107 und die Steuer-Spannungsquelle 101 zurück zur Drossel 51 zu fließen. Die Spannung V₁-^ an der Drossel 51 übersteigt daher nicht die Steuer-Spannung E . Die Spannung

V. am Thyristor 1 ist somit gleich der Summenspannung der Gleichstrom-Spannungsquelle E, und der Steuer-Spannung E . Dieser Zeitpunkt ist mit t^ bezeichnet. Beginnend zur Zeit t^ ist der Strom I„ gleich 0 und der Strom I. gleich dem Laststrom I- Der Strom I₁- fließt weiter bis zum Zeitpunkt t., zu dem die in der Drossel gespeicherte Energie vollständig entladen ist. Vom Zeitpunkt t. an ist die Spannung V, am Thyristor 1 gleich der Summenspannung E der Spannungsquellen 15 und 16.

Bei der Ausführungsform der Fig. 5 braucht der durch die überschüssige Energie in der Steuer-Spannungsquelle hervorgerufene nachteilige Effekt nicht berücksichtigt zu werden, weil die in den Drosseln 51 und 52 gespeicherte Energie von der Steuer-Spannungsquelle 101 bzw. der G-leichspannungsquelle 16 absorbiert wird.

In der Schaltung der Pig. 5 können die Steuerschaltungen 100 und 200 für die Thyristoren durch die Steuerschaltungen 150 und 250 der Fig. 4 ersetzt werden.

Fig. 6 zeigt die Anwendung einer erfindungsgemäßen Schaltung auf einen Zerhacker. Die eine Seite der Last 18 ist mit der G-Ieichstrom-Eingangsklemme 3 verbunden, der Thyristor 1 zwischen die andere Seite der Last 18 und eine Seite der Drossel 5 geschaltet, die andere Seite der Drossel 5 ist mit der Gleichstrom-Eingangsklemme 4 verbunden. Die Dämpf ungeschält ung 7 ist parallel zu dem Thyristor 1 und die Diode 19 parallel zur Last 18 geschaltet. Die Crleichspannungsquelle 15 ist zwischen die Gleichstromeingangsklemmen 3 "und 4 geschaltet. Die Steuerschaltung 100 für den Thyristor 1 ist ähnlich aufgebaut wie die der Fig. 1 , eine nähere Erläuterung erübrigt sich daher. Es sei darauf hingewiesen, daß die Drossel 5 wie in den vorausgehenden Ausführungs-

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beispielen mit der Kathode des Thyristors 1 verbunden, die positive Klemme der Steuer-Spannungsquelle 101 über die Verbindungsleitung 110 mit dem Verbindungspunkt zwischen Drossel 5 und G-leichstrom-Eingangsklemme 4 und die negative Klemme 4 der Steuer-Spannungsquelle 101 über die Yerbindungsleitung 111 alt dem. Verbindungspunkt zwischen Drossel 5 und Thyristor 1 verbunden ist. Die Arbeitsweise des Zerhackers der Fig. 6 wird wiederum anhand Fig. erläutert.

Es sei angenommen, daß der Thyristor 1 des Zerhackers leitet. Hierbei fließt der Laststrom I von der CHLeichspannungsquelle über die Eingangsklemme 3, die last 1, den Thyristor 1, die Drossel 5 und die Eingangsklemme 4 zurück zur Spannungsquelle 15 (Fig. 6). Soll in diesem Zustand der Thyristor 1 ausgeschaltet werden, so wird der Transistor 106 der Steuerschaltung 100 zum Zeitpunkt t (Fig. 2) eingeschaltet. Somit fließt der Strom von der Einschalt-Steuerspannungsquelle 104 über den Thyristor 1, den Widerstand 105 und den Transistor 106 zurück zur Spannungsquelle 104, so daß der Ausschaltvorgang des Thyristors 1 beginnt. Damit wird der Laststrom I allmählich auf den Pfad Spannungsquelle 15, Klemme 3, Last 18, Dämpfungsschaltung 7, Drossel 5, Klemme 4, Spannungsquelle 15 umgeleitet. Zur Zeit t. ist der Ausschaltvorgang des Th_yristors 1 abgeschlossen. Während der Periode t bis t. vom Beginn bis zum Ende des Ausschaltvorganges des Thyristors 1 fließen die Ströme I, und I„. Vom Zeitpunkt t. an ist der Strom I. gleich 0 und der Strom I_? gleich dem Laststrom Die Spannung V. am Thyristor 1 steigt vom Beginn des Ausschaltvorganges zur Zeit t bis zur Zeit t. allmählich auf die Spannung E der Gleichspannungsquelle 15 an. Darauf ändert sich der durch die Drossel 5 fließende Strom allmählich, und es fällt an der Drossel 5 die Spannung V- in der gezeigten Polarität ab. Erreicht die Spannung V^ die Spannung E der Steuer-Spannungsquelle 101, so beginnt ein Strom I, von der Drossel 5 über die Leitung 110, die Diode 107 und die Steuer-Spanmingsquelle 101 zurück zur Drossel 5 zu fließen. Die Spannung V,- an der Drossel 5

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überschreitet daheijnicht die Spannung E . Die Spannung V, am
Thyristor 1 ist somit gleich der Summenspannung au3 der Gleichspannung E, und der Steuerspannung E . Dieser Zeitpunkt ist mit t~ bezeichnet. "Von der Zeit t- an ist der Strom I„ gleich 0
und der Strom I,_q beginnt beim anfänglichen Strom I und fließt von der Last 18 über die Diode 19 und die Klemme 3 zurück zur
Last 18. Dieser Strom I, wird durch die in der Last 18 während des Eließens dea Laststroms I gespeicherte Energie geliefert. Der Strom I, fließt weiter bis zur Zeit t., zu der die gesamte in der Drossel 5 gespeicherte Energie von der Steuer-Spannungsquelle absorbiert ist. Beginnend von der Zeit t, geht die Spannung Yi am Thyristor 1 auf die Spannung E, der Gleichspannungsquelle 15 über. Auf diese Weise wird die in der Drossel 5 gespeicherte Energie wirksam von der Steuer-Spannungsquelle absorbiert .

In der Schaltung der Fig. 6 kann die Steuerschaltung 100 für
den Thyristor 1 durch die Steuerschaltungen 150 und 250 der
Fig. 4 ersetzt werden.

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Claims

WTE rvTAN WALTE

SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS FINCK

MARIAHILFPLATZ 2 & 3, MÖNCHEN 90
POSTADRESSE: POSTFACH 93 O1 SO, D-SOOO MÖNCHEN 95

Umformer

KARU LUDWIG SCHIFF

DIPL. CHEM. DR. ALEXANDER V. FONER

DIPL. ING. PET=R STREHL

DIPL. CHEM. DR. URSULA SCHÜBEL-HOPF

DIPL. ING. DIETER ESBfNGHAUS

DR. INS. DIETER FINCK

TELEFON (Οβ9) 48 2O 54

TELEX 5-23 565 AURO D

TELEGRAMME AUROMARCPAT MÜNCHEN

HITACHI Ltd. , DA-1 4322 DE/A

7. August 1978

PATENTANSPRÜCHE

Umformer zur Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung, gekennzeichnet durch eine erste und eine zweite Eingangsklemme (3, 4), durch einen ersten und einen zweiten aus-steuerbaren Thyristor (1 , 2) und eine erste und zweite Drossel (5, 6), die zwischen die erste und die zweite Eingangsklemme geschaltet sind, wobei die Anode des ersten Thyristors (1) an die erste Eingangsklemme (3) _r die erste Drossel (5) einerseits an die Eathode des ersten Thyristors (1) und andererseits an-die Anode des zweiten Thyristors (2) und die zweite

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_ ρ —

Drossel (6) einerseits mit der Kathode des zweiten Thyristors (2) und andererseits mit der zweiten Eingangsklemme (4) verbunden ist, durch eine erste und eine zweite Steuerschaltung (100,200) zur Zufuhr der Einschalt- und Ausschaltströnie für den ersten bzw. zweiten thyristor, durch eine erste Diode (9), die parallel zu dem ersten Thyristor oder zur der Reihenschaltung aus dem ersten Thyristor (1) und der ersten Drossel (5) geschaltet ist, durch eine zweite Diode (10), die parallel zu dem zweiten Thyristor oder parallel zu der Reihenschaltung aus dem zweiten Thyristor (2) und der zweiten Drossel (6) geschaltet ist, durch eine Ausgangsklemme (12), die an den "Verbindungspunkt zwischen erster Drossel (5) und zweitem Thyristor (2) angeschlossen ist, durch eine erste Verbin— dungsleitung (110) zur Verbindung der positiven Klemme einer ersten Steuer-Spannungsquelle (101) in der ersten Steuerschaltung (100) mit der Verbindungsklemme (12) der ersten Drossel (5) siit dem zweiten Thyristor (2) über eine dritte Diode (107), durch eine zweite Verbindungsleitung (111) zur Verbindung der negativen Klemme der ersten Steuer-Spannungsquelle (101) mit der Verbindung zwischen erster Drossel (5) und erstem Thyristor (1), durch eine dritte Verbindungsleitung (210) zur Verbindung der positiven Klemme einer zweiten Steuer-Spannungsquelle (201 ) in der zweiten Steuerschaltung (200) mit der Verbindung zwischen zweiter Drossel (6) und zweiter Eingangsklemme (4) über eine vierte Diode (207), und durch eine vierte Verbindungsleitung (211) zur Verbindung der negativen Klemme der zweiten Steuer-Spannungsquelle (201) mit der Verbindung zwischen zweiter Drossel (6) und zweitem Thyristor (2).

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Umformer nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Drossel in einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten Drosselteil (52, 52; 61, 62) unterteilt sind, wobei der erste, der zweite und dritte Drosselteil (51, 52, 61) in Reihe zwischen die Kathode des ersten Thyristors (1) und die Anode des zweiten Thyristors (2) geschaltet und der vierte Drosselteil zwischen Kathode des zweiten Thyristors und zweite Eingangsklemme (4) geschaltet sind, wobei die erste Diode (9) parallel zu der Reihenschaltung aus erstem Thyristor (1 ) und dem ersten, zweiten und dritten Drosselteil (51, 52, 61) geschaltet ist, wobei die zweite Diode (10) parallel zu der Reihenschaltung aus dem zweiten Thyristor (2) und dem zweiten, dritten und vierten Drosselteil (52, 61 , 62) geschaltet ist, und wobei die Äusgangsklemme (12) an die Verbindung zwischen zweitem und drittem Drosselteil (52, 61) angeschlossen ist.

Umformer zur Umformung von Gleichspannung in eine variable Gleichspannung, gekennzeichnet durch eine erste und eine zweite Eingangsklemme (3, 4), durch eine Lastschaltung (18), einen aus-steuerbaren Thyristor (1) und eine Drossel (5), die zwischen die erste und zweite Eingangsklemme geschaltet sind, wobei die eine Seite der Last an die erste Eingangsklemme, der Thyristor (1) einerseits an die andere Seite der Last und andererseits an die Drossel und die andere Seite der Drossel an die zweite Eingangsklemme angeschlossen ist, durch eine Steuerschaltung (100) zur Zufuhr eines Einschalt- und eines Ausschaltstroms zum Thyristor (1), durch eine erste Verbindungsleitung (IIO) zur Verbindung der positiven Klemme einer Steuer-Spannungsquelle (101) in der Steuerschaltung (100) mit der Verbindung zwischen Drossel (5) und zweiter Eingangsklemnie (4), und durch eine zweite Verbindungsleitung (111) zur Verbindung der negativen Klemme der Steuer-Spannungsquelle (101) mit der Verbindung zwischen Drossel und Thyristor.

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4. Umformer nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Steuer-Spannungsquelle (101) bzw. die erste und zweite Steuer-Spannungsquelle (101, 201) die Einsehaltströme für den Thyristor (1) bzw. den ersten und zweiten Thyristor (1, 2) liefern.

5. Umformer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer-Spannungsquelle (101) bzw. die erste und zweite. Steuer-Spannungsquelle (101, 201) eine Einrichtung zur Zufuhr der Ausschaltströme zum Thyristor (1) bzw. zum ersten und zweiten Thyristor (1, 2) speisen.

6. Umformer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Steuer-Spannungsquellen (101, 201) je eine Wechselspannungsquelle (118), einen an diese angeschlossenen Gleichrichter (120) und einen an eine Ausgangsklemme des G-leichrichters angeschlossenen Kondensator (117) enthalten.