DE2943269A1 - Steuerverfahren und schaltungsanordnung fuer einen schwingkreisumrichter - Google Patents

Steuerverfahren und schaltungsanordnung fuer einen schwingkreisumrichter

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DE2943269A1
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Rainer von Dipl.-Ing. 4630 Bochum Courbiere
Prof. Dipl.-Ing. Manfred Depenbrock
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BBC Brown Boveri AG Germany
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
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    • H02M3/28Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
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Description

  • Steuerverfahren und Schaltungsanordnung für einen Schwing-
  • kreisumrichter Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuerverfahren und eine Schaltungsanordnung für einen Schwingkreisumrichter mit eihenresonanzkreis, dessen Arbeitsfrequenz so weit unterhaib der Resonanzfrequenz des Schwingkreises liegt, daß der Strom jedes gesteuerten Ventils vor dem Zünden des nächsten gesteuerten Ventils durch Null geht.
  • Ein derartiges Steuerverfahren ist beispielsweise aus der DE-PS 1 135 566 bekannt.
  • Wenn zukünftig im Rahmen eines Verkehrsystems "Elektro-Auto" Elektro-Speicherfahrzeuge im nennenswerten Umfang zum Einsatz kommen, besteht Bedarf für Batterie-Ladegeräte, die an jeder Steckdose betrieben werden können. Wird eine größere Anzahl solcher Geräte innerhalb eines Niederspannungsnetzes betrieben, so können bei den mit den allgemein bekannten Schaltungsvarianten arbeitenden Batterie-Ladegeräten durch die Oberschwingungen ihrer Anschlußströme störende Netzrückwirkungen entstehen.
  • Diese Netzrückwirkungen bestehen hauptsächlich darin, daß dem Netz Stromoberschwingungen eingeprägt werden und diese an den Netzimpedanzen Spannungsabfälle zur Folge haben, die sich der Netzspannung überlagern. Im ungünstigsten Fall kann es hierdurch zur Störung anderer Verbraucher kommen.
  • Zur Vermeidung derartiger Störungen hat es sich als sinnvoll erwiesen, Stellverfahren zu wählen, die von vornherein oberschwingungsarm arbeiten.
  • Verbraucher mit im wesentlichen konstanter Gleichspannung, wie Batterien, können über einen Schwingkreiswechselrichter mit Serienresonanzkreis gespeist werden, wenn zur Einspdrung von Gewicht und Volumen des Speisegerätes ein Mittelfrequenz- anstelle eines Netztransformators zur Potentialtrennung und Spannungsanpassung eingesetzt werden soll, wie aus Colens, Design and Application of High-Power Ultrasonic Converters Using ASCR's", Microelectronics and Reliability, Vol. 16 (1977), p. 487 bis 508 bekannt ist.
  • Diese Schwingkreiswechselrichter werden üblicherweise über einen Gleichrichter aus einem Wechsel- oder Drehstromnetz gespeist. Bei den üblichen Steuerverfahren arbeitet der Wechselrichter nur optimal, wenn seine Eingangsspannung konstant gehalten wird. Wenn die Spannung des speisenden Wechsel- oder Drehstromnetzes nicht genügend konstant ist, muß als Gleichrichter eine gesteuerte Stromrichterschaltung mit nachgeschalteten Filtern eingesetzt werden. Der Aufwand für ein solches Gerät kann jedoch nur klein gehalten werden, wenn auf eine Energiespeicherung im Gleichstromzwischenkreis soweit wie möglich und auf eine Steuerung des Gleichrich-ers gänzlich verzichtet wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Schwingkreiswechselrichter mit Reihenresonanzkreis ein Steuervefahren und eine Schaltungsanordnung hierzu anzugeben, bei dessen bzw. deren Anwendung es gestattet ist, daß sic die Eingangsgleichspannung in weiten Grenzen ändern kann, ohne daß dies Einfluß auf die Grone des Gleichrichtwertes der Ausgangsspannung hat.
  • Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß das Verhältnis der Arbeitsfrequenz zur Resonanzfrequenz in Abhängigkeit der Augenblickswerte der versorgenden Netzspannung so eingestellt wird, daß unabhängig von der Größe der Eingangsgleichspannung des Schwingkreisumrichters stets der Gleichrichtwert der Ausgangsspannung konstant bleibt und jedem Ventil mindestens eine Viertelperiodendauer einer Eigenschwingung des Resonanzkreises als Schonzeit zur Vefügung steht.
  • Die Stromrichterventile werden bei kleinen Augenblickswerten der Netzspannung so gesteuert, daß die Betriebsfrequenz (tüs Wechselstrom-Zwischenkreises des Wechselrichters fast mit der Resonanzfrequenz übereinstimmt, so daß sich eine große Resonanzüberhöhung der Ausgangsspannung in bezug auf die Eingangsspannung ergibt. Bei großen Augenblickswerten, d. h.
  • im Maximum der Netzspannung, wird die Arbeitsfrequenz des Zwischenkreises so erniedrigt, daß sich der gleiche Mittelwert der Ausgangsspannung wie vorher ergibt. Das Steuerverfahren wirkt also vorteilhaft spannungsstabilisierend.
  • Die mit der Erfindung verbundenen Vorteile bestehen desweiteren darin, daß der Schwingkreiswechselrichter einen sinusförmigen Strom sowohl bei Nennbetrieb als auch bei Teillastbetrieb aus dem Netz beziehen kann. Der Schaltunsaufwand des Wechselrichters und seiner Ansteuerschaltung ist gering und Volumen und Gewicht des Wechselrichters sind soweit reduziert, daß beispielsweise bei Einsatz des Wechselrichters als Batterie-Ladegerät das Ladegerät als Teil eines Kraftfahrzeugs ständig mitgeführt werden kann.
  • Weitere Vorteile sind aus der Beschreibung ersichtlich.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend anhand der Zeichnungen dargestellt.
  • Es zeigen: Fig. 1 einen Schwingkreiswechselrichter, Fig. 2 das Arbeitsfrequenzverhältnis in Abhängigkeit der Eingangsgleichspannung des Schwingkreiswechselrichters, Fig. 3 eine Ansteuerschaltung für die Ventile des Schwingkreiswechselrichters, Fig. 4a Schwingkreisstrom und Transformatorspannung hierzu beim stationären Betriebs zustand "Leerlauf", Fig. 4b Leit-Intervalle der Ventile bei positiver und negativer Eingangsgleichspannung, Fig. 5 eine alternative Ansteuerschaltung, Fig. 6a,b den resultierenden Schwingkreisstrom, den Laststrom, die resultierende Transformatorspannung und die Schwingkreisspannung hierzu bei einem stationären Betriebszustand, Fig. 7a, bis 7c vereinfachte Ausführungen eines Schwingkreiswechselrichters, Fig. 8 eine Aßsteuerschaltung hierzu, Fig. 9 eine weitere alternative Ansteuerschaltung, Fig. 10 Impulsdiagramme hierzu.
  • In Figur i ist ein Schwingkreiswechselrichter dargestellt.
  • Der Schwingkreiswechselrichter wird über einen Eingangstromrichter G1 (hier eine gesteuerte Drehstrom-Brückenschaltung) aus einem Wechsel- oder Drehstromnetze N mit der Spannung uL gespeist. Ausgangsseitig ist der Eingangsstromrichter G1 mit einem zwischen den Ausgangsklemmen liegenden Glättungskondensator CG und einer in Reihe liegenden Glittungsdrossel LG beschaltet. Am Glättungskondensator CG liegt die Eingangsgleichspannung Ud des Schwingkreiswechselrichters.
  • Der Schwingkreiswechselrichter weist zwei Brückenhälften auf, die aus den Stromrichterventilen nl, n2, n3, n4, nS n6, n7 und n8 bestehen. Zwischen den Brückenhälften sind ein Schwingkreiskondensator C und eine Schwingkreisdrosselspule L in Serie geschaltet. In der Schaltungsanordnung nach Figur 1 sind die Ventile nl, n3, n5 sowie n7 als Thyristoren und die Ventile n2, n4, n6 sowie n8 als Rückstromdioden ausgeführt. Die Schwingkreisspule L ist Hauptinduktivität eines Transformators. An der Spule L fällt im Leerlauf die Transformatorspannung u = uA ab, der Schwingkreisstrom ist mit i gekennzeichnet. Sekundärseitig ist der Transformator über einen Ausgangsgleichrichter G2 mit einer Last E beschaltet. Der in den Gleichrichter G2 fließende, sekundäre Tr.lnsformatorstrom ist mit is, der Laststrom mit iE bezeichnet.
  • Die Potentialtrennung und Spannungsanpassung geschieht durch den Transformator im Mittelfrequenzbereich bei einer Zwischenkreisfrequenz von etwa 10 kHz. Im Vergleich zu einem Betrieb des Transformators mit Netz frequenz ergibt sich eine erhebliche Gewichtsreduzierung. Aufgrund der günstigen Kommutierungseigenschaften des Schwingkreiswechselrichters können als Halbleiterschalter sehr schnelle Thyristoren eingesetzt werden (Frequenzthyristoren).
  • Der Schwingkreiswechselrichter besteht in der hier betrachteten Form im wesentlichen aus einem Reihenschwingkreis mit der Resonanzfrequenz der über einen Glättungskreis LG-CG sowie über Ventilzweige an das Wechsel spannungs- oder Drehstromnetz angeschlossen ist. Die Sekundärwicklung des Transformators, dessen Hauptinduktivität L die induktive Komponente des Schwingkreises bildet, arbeitet über einen ungesteuerten Gleichrichter G2 und die Glättungsinduktivität LE auf die Last E. Der Schwingkreiswechselrichter soll so geregelt werden, daß er dem Netz einen Strom iL = 1L . AiL zu SL . t entnimmt, wobei iL = Netzstrom, iL = Scheitelwert des Netzstromes, 6AL = Netz-Kreisfrequenz bedeutet.
  • L Aus der DE-PS 11 35 566 und M. Depenbrock, "Die Verknüpfung von Frequenz, Dämpfung und Steuerwinkel beim Schwingkreiswechselrichter", Archiv für Elektrotechnik 49 (1964), Seiten 235 bis 239, ist eine Arbeitsweise des Schwingkreiswechselrichters bekannt, bei der eine Arbeitsfrequenz f soweit unterhalb der Resonanzfrequenz f0 des Schwingkreises liegt, daß der Strom jedes gesteuerten Ventils vor dem Zünden des nächsten gesteuerten Ventils durch Null geht.
  • Hiervon ausgehend wird das Verhältnis der Arbeitsfrequenz f zur Resonanzfrequenz f0 derart eingestellt, daß erstens unabhängig von der Größe der Eingangsgleichspannung Ud stets der Gleichrichtwert der Ausgangsspannung1ui konstant bleibt und zweitens jedem Ventil mindestens eine Viertelperiodendauer einer Eigenschwingung des Resonanzkreises als Schonzeit zur Verfügung steht.
  • Dazu wird zwischen den Betriebsgrößen die Umkehrung folgender Funktion realisiert: In Abhängigkeit von der Eingangsspannung Ud wird dann das Arbeitsfrequenzverhältnis fXfo nach der in Figur 2 darge-0 stellten Funktion eingestellt.
  • Aus der dargestellten Funktion f/f in Abhängigkeit von Ud/(X/2 .luAl)geht hervor, daß bei unverändertem Gleichrichtwert der Ausgangsspannung Iu 1 die Eingangsgleichspannung d im Idealfall zwischen dem Wert Null und ihrem Maximalwert variiert werden darf. Im ersteren Fall arbeitet der Wechselrichter gerade mit der Resonanz frequenz des Schwingkreises, in allen anderen Fällen mit einer kleineren Frequenz.
  • Da es sich bei Gleichung (1) um eine transzendente Gleichung handelt, ist es sinnvoll, sie in einer digital arbeitenden Steuerungsschaltung tabellarisch zu speichern, oder in an und für sich bekannter Weise die Funktion abschnittsweise durch eine Näherungsformel in einem Funktionsgenerator zu approximieren.
  • In Figur 3 ist in einem Übersichtsschaltbild ein Ausführungsbeispiel für eine Ansteuerungsschaltung für die Ventile nl und n3 einer Brückenhälfte des Schwingkreiswechselrichters nach Figur 1 gezeigt. Einem Funktionsgenerator 1 wird eingangsseitig der Wert der Eingangsgleichspannung Ud zugeführt, ausgangsseitig gibt er eine zur Arbeitsfrequenz f proportionale Gleichspannung uf ab. Zu dieser Gleichspannung Uf wird in einer Additionsstelle eine zusätzliche Steuerspannung Uf addiert und die Summe einem Spannungs-Frequenz-Umsetzer 2 zugeleitet. Eine bistabile Kippstufe 3 empfängt das Ausgangssignal des Umsetzers 2 und liefert über ihren Q-Ausgang Signale an einen potentialtrennenden Impulsgeber 4a sowie über ihren Ausgang Signale an einen potential trennenden Impulsgeber 4b. Impulsgeber 4a ist mit der Steuerelektrode des Stromrichterventils nl, Impulsgeber 4b mit Ventil n3 verbunden. Die aus bistabiler Kippstufe 3 und Impulsgeber 4 bestehende Anordnung kann auch als Steuersatz 3-4 bezeichnet werden.
  • Für die beiden anderen Ventile n5, n7, die nicht dargestellt sind, erhöht sich der Aufwand nur um je einen potentialtrennenden Impulsgeber 4d, 4c. Der die Zusammenhänge nach Gleichung (1) näherungsweise realisierende Funktionsgeneratot 1 hat in Abhängigkeit von Ud an seinem Ausgang eine Gleichspannung Uf, die der Arbeitsfrequenz f proportional ist. Der nachgeschaltete Spannungs-Frequenz-Umsetzer 2 gibt Impulse mit verdoppelter Frequenz 2f ab, die die bistabile Kippstufe 3 mit zwei aufeinanderfolgenden Impulsen jeweils setzen und zurücksetzen. Der nichtinvertierende Ausgang Q der Kippstufe arbeitet auf die Impulsgeber 4a, 4c, der sich diagonal gegenüberliegenden Ventile nl und n7, die somit stets gleichzeitig gezündet werden. In entsprechender Weise arbeitet der invertierende Ausgang Q der Kippstufe um eine halbe Periodendauer T/2 = l/<2f) versetzt auf die Impulsgeber 4b, 4d der Ventile n3 und n5.
  • Im Leerlauf bildet sich im Schwingkreis ein Strom i = aus, der an der Hauptinduktivität L des Transformators den Spannungsabfall u = uA = L . diA/dt zur Folge hat, wie dies in Figur 4a für eine bestimmte Arbeitsfrequenz f = 1/T gezeigt ist. In Figur 4b sind hierzu die Leitintervalle der Ventile bei positiver und negativer Eingangsgleichspannung Ud dargestellt. (Der Betrieb bei negativer Eingangsspannung Ud 4 0 ist möglich, wenn alle Ventile als Thyristoren ausgeführt werden, wie dies weiter unten erklärt wird.) Bei positiver Eingangsspannung Ud führt beispielsweise das Ventil n2 den Schwingkreisstrom i. Bei einem Winkel Sot = -= = 2 .f0 = Kreisfrequenz, t = Zeit) wird der Thyristor n3 gezündet. Der Schwingkreisstrom kommutiert auf die ses Ventil. Die Spannung am Schwingkreis uAB springt von Ud auf +Ud. Durch diesen Sprung der Spannung wird der Schwingkreis angeregt, und es bildet sich der Leerlauf strom i . iA aus, der abschnittsweise mit der Eigenfrequenz fo harmonisch schwingt. Nach seinem natürlichen Nulldurch- gang wird er vom antiparallel liegenden Rückstromventil n4 übernommen, bis nach einer Dauer DoT/2 = t + 2 g der Thyristor nl gezündet wird und sich der beschriebene Vorgang mit umgekehrten Vorzeichen wiederholt. Der Strom iA weist an den Unstetigkeitsstellen der Spannung einen Knick auf.
  • Ausgehend vom Leerlauf kann man einen Energiefluß in die Last E dadurch bewirken, daß durch Erhöhung der Arbeitsfrequenz f mit Hilfe einer kleinen zusätzlichen Steuerspannung Uf u der Gleichrichtwert der Transformatorspannung u so lange erhöht wird, bis der gewunschte Laststrom fließt (siehe Figur 1 und 3).
  • Da die Arbeitsfrequenz f unter der Resonanzfrequenz fo liegt, verhält sich der Zweipol bezüglich der Punkte A -(vergl. Figur 1) für die Grundschwingung des Stromes wie eine Kapazität, so daß die nötige Kommutierungsblindleistung in bekannter Weise von der Last bereitgestellt wird.
  • Anstelle des Spannungs-Frequenz-Umsetzers 1 in Figur 3, der zur Ansteuerung der Ventile Impulse mit doppelter Arbeitsfrequenz 2f generiert, kann in einer Steuerschaltung nach Figur 5 ein anderes Verfahren Anwendung finden.
  • Hierbei ist der Funktionsgenerator 1 mit einem Reziprokwertbildner 5 verbunden. Die Ausgangsspannung up des Re2iprokwertbildners 5 wird über eine Additionsstelle einer monostabilen Kippstufe 6 zugeführt. Der Additionsstelle liegt eine Stellgröße ub an. Das der Kippstufe 6 zugeleitete Signal beträgt somit u * = u + u6 . Die Kippstufe 6 ist ausgangsseitig mit dem bereits unter Figur 1 beschriebenen Steuersatz 3-4 verbunden. Eingangsseitig empfängt die Kippstufe 6 ferner über einen Komparator 7 das Meßsicnal eines den Schwingkreisstrom i messenden Stromwandlers 9.
  • Die Stellgröße us wird von einem Regler 10 abgegeben, dem eingangsseitig eine Führungsgröße x5011 und eine Meßgröße xi9t anliegen. Die aus Funktionsgenerator 1 und Reziprokwertbildner 5 bestehende Anordnung wird nachfolgend auch als Funkionsgenerator 1-5 bezeichnet.
  • Aus der frequenzproportionalen Spannung Uf, die in Abhängigkeit von der Eingangsgleichspannung Ud aus dem Funktionsgenerator 1 gewonnen wird, wird in dem Reziprokwertbildner 5 der Reziprokwert gebildet und mit dem Faktor 1/4 gewichtet, derart, daß, solange u = 0 ist, als Steuergröße u = u»~l/(4f) = T/4 eine Spannung zur Verfügung steht, die einer Viertelperiodendauer des Wechselrichters proportional ist. Hierzu wird die Verzögerungszeit der spannungsgesteuerten monostabilen Kippstufe 6 mittels der Spannung u d eingestellt.
  • Eine Betrachtung des Zeitverlaufes des Leerlauf-Schwingkreisstromes i = iA in Figur 4a zeigt, daß ausgehend von seinem Nulldurchgang, wenn die Thyristoren verlöschen, nach der Dauer T/4 das nächste Ventil(paar) gezündet werden muß.
  • Diese Zeit steht den Thyristoren als Schonzeit zur Verfügung und ist größer oder gleich To/4 (To . l/fo = Periodendauer im Resonanzfall). Der Nulldurchgang des Schwingkreisstromes wird mit dem Stromwandler 9 in Verbindung mit dem Kamparator 7 in allgemein bekannter Weise erfaßt. Mit dem so gewonnenen Signal wird die monostab$lt. Kippstufe 6 bei derem Nulldurchgang aus ihrer Ruhelage gebracht, bis sie nach der sich einstellenden Verzögerungszeit T/4 in ihre Ruhelage zurückfällt, damit die bistabile Kippstufe im Steuersatz 3-4 in der unter Figur 3 beschriebenen Weise setzt bzw.
  • zurücksetzt und damit das Zünden der Ventile bewirkt. Der Einfachheit halber können die Funktionen der Blöcke 1 und 5 in einem Funktionsgenerator 1-5 zusammengefaßt werden.
  • Seine Ausgangsspannung up gibt die Verzögerungszeit der monostabilen Kippstufe alleine an, solange der Schwing- kreiswechselrichter unbelastet ist und die Stellgröße u S = 0 ist. Bei induktiver Ankoppelung eines Belastungskreises an die Schwingkreisspule L (vergl. Figur 1) kann in bekannter Weise mit einem untergeordneten Regler 10 der gewünschte Laststrom iE erzielt werden, wie es nachfolgend anhand von Figur 6 beschrieben wird.
  • Der Laststrom iE ist durch die Lastinduktivität LE gut geglättet. Der sekundäre Transformatorstrom hat den Zeitverlauf is =1E sign u (2) wobei u die Transformatorspannung im allgemeinen Fall ist.
  • Durch ihren dreimaligen Vorzeichenwechsel während einer Halbperiode des Wechselrichters wird dem Schwingkreis der rechteckförmige Wechselstrom is eingeprägt, wobei ein Übersetzungsverhältnis des Transformators von eins vorausgesetzt wird. Die durch diese Anregung hervorgerufenen Ströme und Spannungen schwingen mit der Eigenfrequenz fO und überlagern sich den Leerlaufgrößen iA und uA im Schwingkreis.
  • Für einen stationären Betriebszustand sind der resultierende Strom i in Figur 6a und die resultierende Transformatorspannung u in Fig. 6b dargestellt. Der Nulldurchgang des Stromes verschiebt sich von Qot 0t e br/2 (IJO e Kreisfrequenz im Resonanzfall) um den Winkel 6. Die Verzögerungszeit bis zum Zünden des nächsten Ventils wird um diesen Wert korrigiert. Die richtige Verzögerungszeit der monostabilen Kippstufe 6 ist eingestellt, wenn der Regler 10 so arbeitet, daß gilt uG = uF + um = k (toT/4 -b) (3), wobei k ein konstanter Faktor ist.
  • Ein Vorteil dieses gewählten Steuerungsprinzips ist, daß an die Genauigkeit des Funktionsgenerators 1 keine hohe Anforderung gestellt wird, da ein Fehler automatisch durch den Regler 10 ausgeglichen wird.
  • Wie bereits eingangs erwähnt, kann das beschriebene Steuerverfahren beispielsweise auch Anwendung finden bei der Speisung eines Gleichstromverbrauchers (Netzgerät, Batterie-Ladegerät), wenn gefordert wird, daß dem Stromversorgungsnetz bei einphasigem Anschluß ein sinusförmiger Strom entnommen werden soll. Für die Dimensionierung des Glättungskondensators CG (siehe Figur 1) ergeben sich dann zwei einschränkende Bedingungen. Die Kapazität des mit doppelter Netzfrequenz des speisenden Netzes N umzuladenden Kondensators muß einerseits groß genug sein, um die mit doppelter Arbeitsfrequenz schwingende überlagerte Spannung genügend zu glätten. Dies ist notwendig, damit diese Spannungsschwankung an der Glättungsinduktivität LG keinen wesentlichen Oberschwingungsstrom zur Folge hat. Der Forderung nach einer genügend großen Glättungskapazität, um die Bauleistung der Glättungsinduktivität klein zu halten, steht andererseits ein erhöhter Bedarf an Verschiebungsblindleistung dieses Kondensators gegenüber, der durch einen als Diodenbrücke ausgeführten Eingangsstromrichter G1 nicht gedeckt werden kann. Statt der kostengünstigen Diodenbrücke müßte ein Umkehrstromrichter als Eingangsstromrichter G1 eingesetzt werden. Dies würde einen erheblich erhöhten Schaltungsaufwand bedeuten.
  • Auf einen Eingangsstromrichter G1 kann jedoch ganz verzihtet werden, wenn die Stromrichterventile n2, n4, n6 und n8 nicht als Rückstromdioden, sondern als Thyristoren ausgeführt werden, wie es in Fig. 7a dargestellt ist. Um die Anzahl der steuerbaren Ventile nicht erhöhen zu müssen, kann eine Brückenhälfte auch in bekannter Weise in einer Verdoppierschaltung durch Kondensatoren ersetzt werden, wie in den Fig. 7b und 7c gezeigt ist. In den Figuren 7b und 7c sind die zur Schaltung nach Figur 7a gleichwertigen Anordnungen dargestellt, wobei in Figur 7b eine Sternschaltung, in Figur 7c eine nreleckschaltung der Sondensatoren Anwendung findet. In Figur 7b liegen anstelle eines Kondensators CG zwei Kondensatoren mit einer Kapazität von jeweils 2CG ln Reihe und der Kondensator C liegt am ort ihres gemeinsamen Verbindungspunktes. In Figur 7c liegt zwischen jedem der beiden Anschlüsse des Kondennators CG c und der Schwingkreisspule L ein Kondensator C 2 Die Spannung Ud am Glättungskondensator CG schwankt nunmehr nicht nur zwischen dem Wert Null und dem Scheitelwert der Netzspannung UL, sondern nimmt auch entsprechende negative Werte an.
  • c - ULmax Ud £ ULmax (4) Lmax d Lmax Die Anstexerchaltungen gemäß Figur 3 bzw. Figur 5 sind bei einer Ausführung des Schwingkreiswechselrichters nc Figur 7a, 7b, 7c durch eine Umschalteinrichtung ii nach Figur 8 zu ergänzen. Diese Umschalteinrichtung 11 weist vier einelne Umschalter mit je zwei schaltberen eingangsseitig angeordneten Polen und je einem feststehenden aus gangsseitigen Pol auf. Zwei der Umschalter sind eingangs seitig mit dem Q-Ausgang der bistabilen Kippstufe 3, zwei der Umschalter mit dem -Ausgang der Kippstufe 3 verbunden.
  • Jeder der. IJmachalter empfängt eingangsseitig Signale eines Dauerimpuls-Generators 12. Die Umschalteinrichtung 11 wird von einem Komparator 13 angesteuert, dem eingangsseitig die Cleichspannung Ud anliegt und dessen ausgangsseitiges Signal dem Vorzeichen signUd entspricht. Die Ausgänge der einzelnen Umschalter sind mit potentialtrennenden Impulsgebern 4 verbunden, die jeweils die einzelnen Stromrichterventile nl, n2, n3, n4 ansteuern.
  • Bei positiver Eingangsspannung Ud> 0 erfolgt die Ansteuerung der Ventile nl (und n7) bzw. n3 (und n5) in der beschriebenen eis. Die Umschalter 11 sind durch des Signal d Komparators 13, d das Vorzeichen von Ud erfaßt, in die eingezeichnete Schaltstellung gebracht. Die antiparallel geschalteten Ventile n2, n4 (n6, n8), die gemäß Figur 7 auch steuerbar sind und je einen Impulsgeber 4 benötigen, werden in diesem Betriebszustand an einen Generator für Dauerimpulse 12 geschaltet. Sobald die Sperrspannung an einem von diesen Rückstromventilen verschwindet, kann dieses den Schwingkreisstrom übernehmen, genau wie dies vorher die Diode an dieser Stelle zum gleichen Zeitpunkt getan hat.
  • In Figur 4b sind, wie bereits ausgeführt, die Leitintervalle der Ventile einer Brückenhälfte aufgezeichnet. Bei Vorzeichenwechsel der Eingangsspannung d schaltet der Kc>mparator 13 die Umschalter 11 derart um, daß die Funktionen der "Thyristoren" und der "Rückstromventile innerhalb einer Brückenhälfte diagonal vertauscht werden. Für die Vorgänae im Schwingkreis hat dies dieselbe Wirkung wie dies in der.
  • Figuren 1 bis 6 durch die getrennte Gleichrichtung der Netzgrößen erzielt wurde.
  • In Figur 9 ist eine weitere alternative Ansteuerschaltung zur Ansteuerung der antiparallelen Ventile angegeben, bei.
  • der auf einen Dauerimpuls-Generator 12 und einen Teil der Impulserzeuger und -übertrager verzichtet werden kann. Die monostabile Kippstufe 6 empfängt eingangsseitig die Eingangsgleichspannung Ud und gibt ein Ausgangssignal MF ab.
  • Dieses Signal wird logischen Gattern 15a, 15b, z.B. bestehend aus jeweils zwei parallel liegenden Und-Gliedern mit nachgeschaltetem ODER-Glied, zugeführt. Das Signal MF liegt dabei jedem Und-Glied über einen invertierenden Eingang an. Das Ausgangssignal signUd des Komparators 13 wird ehenfalls allen vier Und-Gliedern zugeführt, und zwar bei.
  • einem Und-Glied jeden logischen Gatters 15 über einen invertíerenden Eingang, beim weiteren Und-Glied jeden Gatters 15 über einen nichtinvertierenden Eingang. Das Ausgangs- signal signli des Komparators 7 wird der monostabilen Kippstufe 6 und den weiteren Eingängen der Und-Glieder der Gatter 15 zugeleitet, und zwar ebenfalls je einem Und-Glied jeden Gatters 15 über einen invertierenden und je einem Und-Glied jeden Gatters 15 über einen nichtinvertierenden Eingang.
  • Das Ausgangssignal des logischen Gatters lSa ist mit ZÜND (nl, n2) bezeichnet und liegt über einem Spannungsfolger 14a einem Impulsübertrager 16a an, während das mit ZÜND (n3, n4) bezeichnete Ausgangssignal des logischen Gattern 15b über einem Spannungsfolger 14b einem Impulsübertrager 16b zugeführt ist. Die Impulsübertrager 16a, 16b weisen jeweils eine Primärspule und zwei Sekundärspulen auf, wobei jede Sekundärspule zum einen mit der Steuerelektrode des anzusteuernden Ventils nl, n2, n3, n4, zum anderen mit dem Kathodenanschluß des gleichen Ventils verbunden ist.
  • Wie unter Figur 5 beschrieben, wird die monostabile Kippstufe 6 bei jedem Vorzeichenwechsel des Schwingkreisstromes signli aus ihrer Ruhelage gebracht. Dieser Zustand wird durch die logische Gleichung MF = 1 beschrieben. Nach der eingestellten Verzögerungszeit fällt die Kippstufe 6 in ihre! Ruhelage zurück (HF = O) und ein Thyristor witd mit Hilfe eines jetzt generierten Zündimpulses gezündet. Der Unterschied zur Anordnung gemäß Figur 5 besteht darin, dan der Zündimpuls über eine zweite sekundäre Wicklung des Impulsübertragers 16 gleichzeitig auch am antiparallel liegenden Rückstromventil ansteht, obwohl an diesem noch Sperrspannung anliegt. Wenn der Schwingkreisstrom seinen natürlichen Nulldurchgang hat, wird der Zündimpuis abgeschaltet. Die Laufzeit der Signale wird ausgenutzt, um zu gewährleisten, dan der Zündimpuls noch so lange am Rückstromventil ansteht, bis dieses sicher den Strom übernommen hat.
  • In Abhängigkeit vom Vorzeichen der Eingangs spannung sign Ud ergeben sich folgende Verknüpfungsbedingungen der logischen Signale: ZÜND(nl,n2) = (sign Ud) . (sign . MF + (sign Ud) . (sign i) . MF ZÜND(n3,n4) = (sign Ud) . (sign i) . MF + (5) (sign Ud) (sign i) . MF Dieser Zusammenhang ist in Fig. 9 mit Hilfe der logischen Gatter 15 beispielhaft realisiert. Zur Verstärkung der Impulse dienen die Spannungsfolger 14. Figur 10 veranschaulicht in einem Impulsdiagramm den durch Gleichung (5) gegebenen Zusammenhang im Falle einer positiven Eingangsspannung Ud. Es sind der Schwingkreisstrom i, sign i, das Signal MF sowie das SignalZÚND (nl, n2) und das Signal ZÜND (n3, n4) dargestellt.

Claims (13)

  1. Ansprüche mit Steuerverfahren für einen Schwingkreisumrichter mit henresonanzkreis, dessen Arbeitsfrequenz soweit unterhalb der Resonanzfrequenz des Schwingkreises liegt, daß der Strom jedes gesteuerten Ventils vor dem Zünden des nächsten gesteuerten Ventils durch Null geht, dadurch qekennzeichnet, daß das Verhältnis der Arbeitsfrequenz (f) zur Resonanzfrequenz (fO) in Abhängigkeit der Augenblickawerte der versorgenden Netzspannung (uL) so eingestellt wird, daß unabhängig von der Größe der E ingangsgleichsparinung (Ud) des Schwingkreisumrichters stets der Gleichrichtwert der Ausgangsspannung (uA) konstant bleibt und jedem Ventil mindestens eine Viertelperiodendauer einer Eigenschwingung des Resonanzkreises als Schon zeit zur Verfügung steht.
  2. 2. Steuerverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Arbeitsfrequenz (f) zur Resonanzfrequenz (fO) in Abhängigkeit von der Eingangsgleichspannung (Ud) nach der Umkehrung der transzendenter Gleichung eingestellt wird.
  3. 3. Steuerverfahren nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsfrequenz (f) solange erhöht wird, bis ein gewünschter Laststrom vom Schwingkreiswechselrichter abgegeben wird.
  4. 4. Steuerverfahren nach wenigstens einem der vorstenenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögeru.ngszeit vom Erlöschen des einen Ventils bis zum Zünden dee nächsten Ventils um den Winkel ( S} korrigiert wird, um den sich der Nulldurchgang des Schwingkreisstromes (i) verschiebt.
  5. 5. Steuerverfahren nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Zündimpulse sowohl dem zu zündenden Ventil als auch dem antiparallel liegenden, mit Sperrspannung beaufschlagten Rückstromventil gleichzeitig zugeführt werden, wobei die Laufzeit der Signale ausgenutzt wird, um zu gewährleisten, daß der Zündimpuls noch solange am Rückstromventil ansteht, bis dieses den Stromfluß übernommen hat.
  6. 6. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich aus der transzendenten Gleichung ergebenden Beziehungen zwischen Eingangsgleichspannung (Ud) und Arbeitsfrequenz (f) in einer digitalen Steuerschaltung tabellarisch gespeichert werden.
  7. 7. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einem Funktionsgenerator (1) eingangsseitig die Eingangsgleichspannung (Ud) des Schwingkreiswechselrichters zugeführt und ausgangsseitig eine zur Arbeitsfrequenz (f) proportionale Gleichspannung (u (Uf) entnommen wird.
  8. 8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß einem Spannungs-Frequenz-Umsetzer (2) die frequenzpropotionale Gleichspannung (Uf) sowie eine zusätzliche Steuerspannung ( bus ) eingangsseitig zugeführt werden und er ausgangsseitig über einen Steuersatz (3-4) mit den Steuerelektroden der steuerbaren Stromrichterventile (nl, n3) verbunden ist.
  9. 9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß einem Reziprokwertbildner (5) die frequenzproportionale Gleichspannung (Uf) eingangsseitig zugeführt wird, daß eine monostabile Kippstufe (6) das Ausgangssignal des Reziprokwertbildners (5) zusammen mit einer Stellgröße (u) eingangsseitig empfängt und ausgangsseitig mit dem Steuersatz (3-4) verbunden ist, wobei die monostabile Kippstufe (6) in Abhängigkeit des Nulldurchganges des Schwingkreisstromes (i) angesteuert wird.
  10. 10. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuersatz (3-4) aus einer bistabilen Kippstufe (3) und nachgeschalteten potentialtrennenden Impulsgebern (4) besteht.
  11. 11. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuersatz (3-4) aus einer bistabilen Kippstufe (3), einer nachgeschalteten Umschalteinrichtung (11) und potentialtrennenden Impulsgebern (4) besteht, wobei die Umschalteinrichtung (11) von einem Dauerimpulsgenerator (12) beaufschlagt und in Abhängigkeit des Vorzeichens der Eingangsgleichspannung (Ud) gesteuert wird.
  12. 12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die monostabile Kippstufe (6) über logische Gatter (15) und Spannungsfolger (14) mit einem Impulsübertrager (16) beschaltet ist, wobei die logischen Gatter (15) in Abhängigkeit vom Vorzeichen des Schwingkreisstromes (i) und der Eingangsgleichspannung (Ud) ansteuerbar sind und der Impulsübertrager (16) sekundärseitig mit den Stromrichterventilen (nl, n2, n3, n4) des Schwingkreisumrichters beschaltet ist.
  13. 13. Schwingkreiswechselrichter nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstromventile des Wechselrichters als steuerbare Ventile, insbesondere als Thyristoren, augebildet sind.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0275698A1 (de) * 1986-12-29 1988-07-27 RCA Thomson Licensing Corporation Frequenzbegrenzter resonanter Regler
DE4415942A1 (de) * 1994-05-05 1995-11-23 Neumann & Stallherm Gmbh Selbsterregender Hochfrequenzgenerator

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