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Transistor-Wechselrichter
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Die Erfindung betrifft einen Transistor-Wechselrichter nach den Oberbegriff
des Ansprüchs 1.
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Wechselrichter mit gesteuert:en Halbleitergleichrichtern sind zur
Speisung von Wechselstrommotoren in verschiedenen Ausführungen bekannt. Dabei verwendet
nan vielfach einen Einphasenmotor mit Hilfsphase, weil für seinen Betrieb ein einfacher
Einphasenwechselrichter reicht. Anlaufverhalten und Wirkungsgrad eines solchen Motors
hängen aber von verschiedenen Faktoren ab, von denen die Spannungsform der Speisespannung
ein wesentlicher ist. Reicht diese Spannungsform von der Sinusform ab, wie es bei
einfachen Transister-Wechselrichtern häufig der Fall ist, dann kann dies im schlimmsten
Fall dazu führen, daß der Motor überhaupt nicht anläuft oder zumindest aber der
Wirkungsgrad sehr gering wird. Mit Drehstrommotoren kann man bessere Ergebnisse
erzielen, muß jedoch einen höheren Aufwand beim Wechselrichter investieren.
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Ein großes Problem besteht bei Transistor-Wechselrichtern
Zur
Speisung von Wechselstrommotoren aus einer Gleichstromquelle darin, daß einerseits
der Anlauf des Motors gestehert sein muß, andererseits aber der Auslaufstrom nicht
zu groß sein darf, da sofern sie überhaupt zur Verfügung stehen, Leistungstransistoren
für die möglichen hohen Ströme sehr teuer sind.
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Es ist insbesondere in Verbindung mit größeren Motoren bekannt, mit
Hilfe eines Stern-Dreieckschalters diese beiden Bedingungen zu erfüllen. Ohne einen
solchen Stern-Dreieckschalter kann im Anlaufzeitpunkt mit dem achtfachen Betriebsstrom
gerechnet werden, während bei Benutzung eines solchen Umschalters nur der zwei-
bis dreifache Betriebsstrom ils Anlaufstrom auftritt. Ein solcher mechanischer Umschalter
ist äußert umständlich und für viele Anwendungsfälle mit häufigen Schaltvorgänges
praktisch nicht nutzbar. Man könnte zwar daran denken, die Stern-Dreieckumschaltung
elektronisch vorzunehmen, was jedoch einen erheblichen Aufwand an zusätzlichen Leistungstransistoren
bedeuten würde und daher kaum einen Vorteil brachte.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Transistor-Wechselrichter zu schaffen,
bei dem auf verhältnismäßig einfache Weise einerseits der Anlauf sichergestellt
werden kann, anderseits aber vermieden wie 1, daß der Strom durch die
Leistungstransistoren
des Wechselrichters einen bestimmten Maximalwert überschreitet, so daß relativ billige
Leistungstransistoren verwendet werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Plerkmale im Patentanspruch
1 gelöst.
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Es ist dabei vorgesehen, daß der Ausgangsstrom gemessen wird und das
so gewonnene Meßsignal einem Schwellwertschalter zugeführt wird. Übersteigt der
Ausgangsstom einen Grenzwert, der beispielsweise bei dem zwei- bis dreifachen Nennstrom
liegen kann und von den Leistungstransistoren noch bewältigt wird, dann führt ein
entsprechendes Ausgangssignal des Schwellwertschalters dazu, daß die Ansteuerung
der Leistungstransistoren unterbrochen wird, die Leistungstransistoren also gesperrt
werden. Die Sperrung der Leistungstransistoren führt einen sofortigen Abfall des
Laststroms herbei, so daß die Sperrung nur kurzzeitig innerhalb einer Halbperiode
auftritt.
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Diese erfindungsgemäße Lösung eignet sich besonders für einen Mehrphasen-Wechselrichter,
speziell einen Drei-Phasen-Wechselrichter mit einer Transistorbrückenschaltung.
Die einzelnen Transistoren der Brücke werden bei einem solchen
Wechselrichter
in an sich bekannter Weise durch Steuerimpulse aufgesteuert, so daß SiCII dadurch
einen Treppenverlauf der Sinusform angenäherte Ausgangsspannungen ergeben.
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Eine den vorgegebenen Maximalwert überschreitende Laststromüberhöhung
ist im Bereich des Sclleitels der jeweiligen Strangspannung am wahrscheinlichsten.
Sie würdc dazu führen, daB die im Moment der Feststellung der Stromüberhöhung durch
entsprechende Steuerimpulse gerade durchgeschalteten Transistorcn gesperrt werden.
Da der Laststrom dann auf jeden Fall unter den Maximal- oder Grenzwert sinkt, arbeitet
der Wechselrichter beim folgenden Steuerimpuls zunächst in normaler Weise. Falls
es wiederum zu einer überschreitung des Stromgrenzwerts kommt, werden die gerade
leitenden Transistoren gesperrt. Das bedeutet, daß aus der treppenförmigen Ausgangsspannung
eine oder mehrere Stufen herausgeschnitten werden, so daß die Spannungs-Zeitfläche
kleiner wird. Wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung in jeder
Lastzuleitung eine Drosselspule angeordnet, dann sorgt diese für eine Glättung des
durch die Transitorsperrungen unter Umständen mit Einbrüchen versehenen Stromverlaufs.
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Als Strommeßeinrichtungen eignen sich beispielsweise Meßübertrager,
deren Ausgangsspannung gleichgerichtet wird.
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Zur Erzielung einer guten Linearität zwischen dem die Primärwicklung
eines
solchen Meßübertragers durchfliessenden Strom und der Sekundärspannung ist es vorteilhaft,
der Prinärwicklung einen sehr niederohmigen Widerstand parallelzuschalten. Damit
im Fall eines Mehrphasen-lVechselrichters eine gleichzeitige überwachung aller Phasen
auf einfache Weise erreicht wird, schaltet man vorteilhafterweise die Ausgangsklemmen
der den Sekundärwicklunaen der Meßübertrager nachgeschalteten Gleichrichter parallel
an den Eingang des Schwellwertschalters an.
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Für den Fall, daß eine Gleichspannungsquelle mit schwankender Spannung,
beispielsweise einer Batterie, eingesetzt wird, kann die Erfindung dadurch vorteilhaft
weitergebildet werden, daß der Motorstrom mit über den Nennwert zunehmender Gleichspannung
langsam reduziert wird. Hierzu können einer oder mehrere Schwellwertschalter mit
unterschiedlichen Schwellwerten mit der Gleichspannung beaufschlagt werden und ein
Sperrsignal abgeben, wenn die Gleichspannung einen jeweiligen Schwellwert übersteigt.
Mit Hilfe dieses oder dieser Sperrsignale können bestimmte Steuerimpulse gesperrt
werden, so daß sich in der oben erwähnten Weise im Mittel eine Spannungsminderung
und damit auch eine Stromminderung ergibt. Hierdurch wird erreicht, daß der Motor
thermisch weniger beansprucht wird, wodurch die Betriebssicherheit insgesamt erhöht
werden kann.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeieiinung
an einem Ausführungsbeispiel im einzelnen ellciutert.
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Die Figur zeigt einen Drei-Phasen-Wechselrichter, es sei aber betont,
daß die Erfindung auch auf einen Einphasen-oder andere Mehrphasen-Wechselrichter
anwendbar ist.
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Der Wechselrichter besitzt zwei mit + und - gekennzeichnete Gleichstromeingangsanschlüsse,
an die eine Gleichspannung UB etwa mittels einer Batterie oder dergleichen angelegt
werden kann. Zwischen eine aus den Leistungstransistoren 16 bis 21 gebildete Drei-Phasen-Brückenschaltung
und die Gleichstromeingangsanschlüsse ist eine Siebschaltung 12 geschaltet.
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Mit den Ausgängen der Siebschaltung 12 ist außerdem ein Impulsgeber
13 verbunden, der an einen Ringzühler 14 Impulse mit konstanter Folgefrequenz abgibt.
Im Fall von dreihundert Impulsen pro Sekunde ergibt sich beispielsweise eine Ausgangsfrequenz
von 5O z. Der Ringzähler 4 liefert seinerseits in zyklischer Folge Impulse an einen
Treiberverstärker 15, der diese Impulse seinerseits verstärkt als Steuerimpulse
an die einzelnen Leistungstransistoren weitergibt.
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Die Leistungstransistoren 16 bis 20 werden dadurch in bestimmter Reihenfolge
jeweils vorübergehend aufgesteuert, so daß der Strom aus der Gleichspannungsquelle
über die Leistungstransitoren und einen an diese als Last angeschlossenen Motor
29
fließt.
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Man erhält mit einer insoweit an sich bekannten Schaltungsanordnung
einen dreiphasigen Strom mit einer gegenseitigen Phasenverschiebung von 120 ° bei
nahezu sinusförmiger Spannungsform. Die gegenseitige Phasenverschiebung zwischen
den einzelnen Phasenströmen hängt naturgemäß von der Steuerimpulsfolge ab.
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Ein Transformator ist zwischen dem Motor 29 und den Ausgangsanschlüssen
der Brückenschaltung des Wechselrichters nicht erforderlich, was sowohl bezüglich
des elektrischen Wirkungsgrads als auch bezüglich der Betriebssicherheit des Wechselrichters
von erheblicher Bedeutung ist.
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Jeder Brückenzweig umfaßt zwei Transistoren 16, 17 bzw. 18, 21 und
19, 20. Bei jedem dieser Transisistorpaare sinz die Kollektor-Emitter-Strecken in
Reihe an die Ausgänge der Siebschaltung 12 angeschlossen. Der Verbindungspunkt zwischen
den beiden Transistoren eines jeweiligen Paares ist mit einer Ausgangsklemme verbunden,
die mit L1, L2 und 1,3 bezeichnet sind. Zu dieser Transistorbrückenschaltung ist
eine Diodenbrückenschaltung antiparallel geschaltet, um die Transistoren vor zu
hohen Sperrspannungen und Inversströmen zu schützen.
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Der Drei-Phasen-lJechselstrommotor 29 ist über Drosselspulen 22, 23
und 24 sowie die Primärwicklungen cn Meßübertragern 25, 26 und 27 mit den Ausgangsklemmen
L1 bis L3 verbunden.
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Mit den Sekundärwicklungen der Meßübertrager sind schematisch dargestellte
Brückengleichrichter verbunden, deren Ausgangsanschlüsse parallel geschaltet und
an einen Schwellwertschalter 28 angeschlossen sind. Zu den Primärwicklungen der
Meßübertrager 25 bis 27 ist jeweils ein sehr niederohmiger Widerstand 30, 31, 32
parallel geschaltet, der eine Linearisierung zwischen dem jeweils zu messenden Wechselstrom
und der Ausgangsgleichspannung des zugehörigen Gleichrichters herbeiführen soll.
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Übersteigt die am Eingang des Schwellwertschalters 28 anliegende Steuergleichspannung
einen bestimmten Schwellwert, dann bewirkt ein vom Schwellwertschalter 28 an den
Treiberverstärker 15 geliefertes Signal die Sperrung der Ausgabe von Steuerimpulsen
an die Leistungstransistoren 17 bis 21.
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Der Schwellwert des Schwellwertschalters 28 wird so gewählt, daß diese
Steuerimpulssperrung auftritt, wenn in wenigstens einer Phase der Laststrom einen
bestimmten Maximal- oder Grenzwert übersteigt.
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Beim Motoranlauf wird die den Schwellwertschalter 28 beaufschlagende
Steuergleichspannung so groß sein, daß der
Schwellwert überschritten
wird und jeweils die gerade anstehenden Steuerimpulse kurzzeitig unterbrochen werden.
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Während dieser Abschaltung versucht die Gegen-EMK des Motors einen
Rückstrom zur Gleichspannungsquelle zu liefern, was zu einem unruhigen Lauf des
Motors führen würde. Die Drosselspulen 22, 23 und 24 dämpfen diesen Vorgang soweit,
daß der ruhige Lauf des Motors praktisch nicht nachteilig beeinflußt wird. Insgesamt
kann also auf diese Weise ein sicherer Motoranlauf erzielt werden, ohne daß der
Wechselrichter über einen zulässigen Laststrom hinaus beansprucht wird.