DE3109750A1 - Schaltungsanordnung fuer einen wechselrichter zur speisung eines wechselstromverbrauchers mit einer alternierenden spannung, insbesondere einer sinusfoermigen wechselspannung - Google Patents

Description

• Schaltungsanordnung für einen Wechselrichter zur Speisung
• eines Wechselstromverbrauchers mit einer alternierenden Spannung, insbesondere einer sinusförmigen Wechselspannung Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung der im Gattungsbegriff des Patentanspruches 1 beschriebenen Art.
• Wechselrichter dienen zur Erzeugung alternierender Spannungen, insbesondere sinusförmiger Wechselspannungen aus einer Gleichspannung (Batterie). Mit ihrer Hilfe lassen sich Verbraucher, die entweder ausschließlich mit Wechselspannung betrieben werden können, z.B. Wechselstrommotoren, oder deren serienmäßige Auslegung nicht geändert werden kann oder soll, bei Netzausfall oder in Einsatzfällen, bei denen ein Netzanschluß nicht oder vorübergehend nicht zur Verfügung steht, aus einer Batterie speisen.
• Bekannte Wechselrichter enthalten einen sogenannten Umrichter, der als Sperrwandler oder als Ein- oder Gegentaktdurchflußwandler ausgebildet ist, mit einer im Vergleich zur Frequenz der gewünschten alternierenden Spannung wesentlich höneren Frequenz schwingt und durch ein der gewünschten alternierenden Spannung entsprechendes aus einem Referenzoszillator abgeleitetes Modulationssignal, insbesondere in Pulsbreitenmodulation, modulierbar ist. Es ist bekannt, als Modulationssignal eine Spannung zu verwenden, die durch Doppelweggleichrichtung aus dem Referenzoszillator abgeleitet ist. Damit wird erreicht, daß auch die Ausgangs spannung des Umrichters aus mit gleicher Polarität aufeinanderfolgenden Halbwellen besteht, so daß der in dem Umrichter vorhandene Transformator nur eine Sekundärwicklung benötigt und damit wesentlich besser ausgenutzt wird als dies bei Schaltungen der Fall ist, in denen für jede Polarität der Ausgangsspannung eine getrennte Sekundärwicklung erforderlich ist.
• Die Ausgangsspannung des Umrichters wird einer steuerbaren Brückenschaltung (Polwenderbrücke) zugeführt, mit deren Hilfe die gewünschte alternierende Spannung durch Umpolung von aufeinanderfolgenden Halbwellen der Ausgangsspannung des Umrichters zusammensetzbar ist. In den Brükkenzweigen der Polwenderbrücke befinden sich Halbleiterschalter, die mit der Frequenz des Referenzoszillators ein- und ausschaltbar sind.
• Bevorzugte Schaltelemente der Leistungselektronik sind derzeit Thyristoren. Thyristoren sind elektrisch bistabile steuerbare Halbleiterschalter, die durch einen kurzen Zündimpuls an ihrer Steuerelektrode einschaltbar sind und anschließend unabhängig vom Potential der Steuerelektrode in ihrem leitenden Zustand verbleiben, so lange die Spannung an der gesteuerten Strecke (Kathoden-Anodenstrecke) einen vorbestimmten Mindestwert (Halte- oder Brennspannung) nicht unterschreiten. Die Verwendung von Thyristoren in der Polwenderbrücke bringt den Vorteil mit sich, daß die zum Zünden erforderlichen Impulse durch kleine Übertrager zugeführt werden können, die die erforderliche galvanische Trennung zwischen den Leistungshalbleitern und der zugehörigen Steuerschaltung gewährleisten. Dem Vorteil, daß Thyristoren für ihre Ansteuerung kein während der gesamten Schaltperiode andauerndes Steuersignal benötigen, steht der Nachteil gegenüber, daß Vorkehrungen getroffen werden müssen, um bei jeder Umpolung ein sicheres Löschen des stromführenden Brückenzweiges herbeizuführen.
• Wenn die Brückenschaltung mit einer ihrer Ausgangsklemmen mit demselben Bezugspotential verbunden ist wie die Steuerschaltung zur Ansteuerung der Brückenschaltung, können diejenigen Brückenschaltmittel, die mit einer Elektrode an dieses Bezugspotential angeschlossen sind, ohne galvanische Trennung angesteuert werden. Es ist insbesondere ohne weiteres möglich, sie mit einem während dervgesamten stromführenden ,<riode andauernden Dauersignal anzusteuern. Daher empfiehlt es sich, diese Brückenschaltmittel nicht als Thyristoren sondern als einfache, d.h. nicht bistabile Halbleiterschalter, z.B. als Transistoren auszubilden.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der im Gattungsbegriff des Patentanspruches 1 beschriebenen Art so auszubilden, daß mit geringem Schaltungsaufwand ein sicheres Löschen der in den Brückenzweigen der Polwenderbrücke vorhandenen elektrisch bistabilen Halbleiterschalter möglich ist.
• Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 genannten Merkmale gelöst.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche, auf die hiermit zur Verkürzung der Beschreibung ausdrücklich verwiesen wird.
• Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert: Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild eines Wechselrichters gemäß der Erfindung, Fig. 2 zeigt Schaltungseinzelheiten der Schaltung zur Ansteuerung der in Fig. 1 dargestellten Polwenderbrücke.
• Der in Fig. 1 dargestellte Wechselrichter umfaßt einen Umrichter 1, der von einer Batterie 2 gespeist wird und durch einen Modulator 3 modulierbar ist. Das Modulationssignal wird aus der Ausgangsspannung eines Referenzoszil- lators 4 abgeleitet, die zuvor in einem Gleichrichter 5 doppelweggleichgerichtet wird. Zwischen dem Ausgang des Umrichters 1 und seinem Modulationseingang ist eine über den Modulator 3 verlaufende Regelstrecke vorgesehen, über welche die Ausgangsspannung (Ist-Spannung) der von dem Gleichrichter 5abgegebenen Soll-Spannung nachgeregelt wird.
• Die an den Klemmen a und b auftretende Ausgangsspannung des Umrichters 1, die in ihrem zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung des Gleichrichters 5 entspricht, also aus einer Folge von im vorliegenden Fall sinusförmigen Halbwellen gleicher Polarität besteht, wird einer Polwenderbrücke zugeführt, deren Schaltelemente aus Thyristoren Th1, Th2 und Transistoren T1 und T2 bestehen. Diese Schaltelemente werden von einer Brückensteuerschaltung 6 derart angesteuert, daß während zweier aufeinanderfolgender Halbwellen jeweils zwei in der Brücke einander gegenüberliegende Schaltelemente leitend sind, während die übrigen Schaltelemente gesperrt sind. Auf diese Weise wird jede zweite Halbwelle der Ausgangsspannung des Umrichters 1 umgepolt, so daß an den Ausgangsklemmen c und d die gewünschte alternierende Spannung zur Speisung eines Wechselstromverbrauchers auftritt, die in ihrem zeitlichen Verlauf der Spannung des Referenzoszillators 4 entspricht.
• Zur Ansteuerung der Halbleiterschalter der Polwenderbrücke dient eine Brückensteuerschaltung 6, die ihrerseits über einen Null indikator 7 von dem Referenzoszillator 4 gesteuert wird.
• Fig. 2 zeigt Einzelheiten der Brückensteuerschaltung 6 und des Nullindikators 7. Letzterer besteht im wesentlichen aus einem Operationsverstärker Vt, dessen invertierender Eingang von dem Referenzoszillator 4 angesteuert wird und an dessen Ausgang ein Signal mit niedrigem Pegelwert erscheint, wenn die Signalspannung des Referenzoszil- lators 4 von einer negativen zu einer positiven Halbwelle wechselt. Der Ausgang des Operationsverstärkers V1 ist mit einem aus zwei Transistoren T3 und F4 bestehenden Wechselschalter verbunden. Die beiden Ausgänge dieses Wechselschalters stehen mit den beiden Ausgangsklemmen e und f zur Ansteuerung der Brückentransistoren T1 und T2 direkt und mit Transistoren T5 und T6 zur Ansteuerung der mit U1 und U2 bezeichneten Zündtransformatoren über Koppelkondensatoren C1 und C2 in Verbindung. Die Sekundärwicklungen der Zündtransformatoren U1 und U2 stehen über Dioden D1 und D2 mit Ausgangsklemmen g und h in Verbindung, die zu denSteuerelektroden der Brückenthyristoren Th1 bzw. Th2 führen. Die anderen Wicklungsenden der Sekundärwicklungen führen über Ausgangsklemmen k und 1 zu den Kathoden der genannten Thyristoren.
• Die Schaltung beinhaltet ferner einen aus einem rückgekoppelten Operationsverstärker V2 bestehenden Zündoszillator, dessen Ausgangs impulse an die Primärwicklungen der Zündtransformatoren U1 und U2 angekoppelt werden und die ein sicheres Zünden der betroffenen Thyristoren ermöglichen, sobald die über die Koppelkondensatoren C1 bzw. C2 ansteuerbaren Transistoren in ihren leitenden Zustand gelangen.
• Die Ausgänge des aus den Transistoren T3 und T4 bestehenden Wechselschalters sind ferner über Koppelkondensatoren C3 und C4 an eine aus den beiden Transistoren T7 und T8 bestehenden monostabilen Kippstufe angeschlossen. Der Ausgang dieser monostabilen Kippstufe führt zu den Basiselektroden zweier Schalttransistoren T9 und T10, mittels derer die Basisstromkreise der beiden Brückentransistoren T1 und T2 kurzgeschlossen werden körnern.
• Im folgenden sei die Wirkungsweise der Schaltung gemäß Fig. 2 kurz erläutert: Es sei angenommen, daß das Ausgangssignal des Referenzoszillators 4 von einer negativen zu einer positiven Halbwelle wechselt. Das dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers V1 über die Widerstände R1 und R2 zugeführte positive Signal bewirkt, daß am Ausgang des Operationsverstärkers V1 ein niedriger Signalpegel auftritt, durch welchen der Transistor T4 gesperrt und der Transistor T3 in seinen leitenden Zustand gesteuert wird. Dementsprechend tritt am Kollektor des letzteren eine positive Signalspannung auf, die über den Widerstand R3 zu dem Ausgang e und über den Koppelkondensator C1 zur Basis des Transistors T5 gelangt. Über den Koppelkondensator C3 schaltet das Signal ferner die aus den Transistoren T7 und T8 bestehende monostabile Kippstufe ein, die während ihrer Einschaltdauer die beiden Transistoren T9 und T10 in ihren leitenden Zustand steuert, so daß sowohl der Ausgang e als auch der Ausgang f während dieser Zeit kurzgeschlossen sind. über den Ausgang f wird die Steuerstrecke des Brükkentransistors T2 kurzgeschlossen, so daß dieser gesperrt wird und der mit ihm in Reihe geschaltete Brückenthyristor Th2 mit Sicherheit erlischt. Nach Ablauf der Rückstellzeit der monostabilen Kippstufe T7/T8 steuert das Signal an der Ausgangsklemme e den Brückentransistor T1 in seinen leitenden Zustand. Außerdem wird über die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors T5 die Primärwicklung des Transformators U2 zur Zündung des Thyristors Th2 mit einem Zündimpuls beaufschlagt. Über den Transistor T1 und den ihm in der Polwenderbrücke gegenüberliegenden Thyristor Th2 wird die der positiven Halbwelle des Referenzoszillators 4 entsprechende Halbwelle am Ausgang des Umrichters 1 dem an die Ausgangsklemmen c und d angeschlossenen Verbraucher zugeführt.
• Beim nächstfolgenden Polaritätswechsel des Ausgangssignals des Referenzoszillators 4 gelangt wieder der Transistor T4 in seinen leitenden Zustand, während der Transistor T3 gesperrt wird. Die Signal spannung am Emitter des Transistors T4, die über den Koppelkondensator C4 zur Basis des Transistors T7 gelangt, kippt die monostabile Kippstufe T7/T8 von neuem, so daß der Transistor T9 vorübergehend leitend wird und den Brückentransistor T1 sperrt. Infolgedessen wird der während der positiven Halbwelle des Referenzsozillators 4 gezündete Brückenthyristor Th2 gelöscht. Nach Ablauf der Einschaltdauer der monostabilen Kippstufe T7/TS wird der an die Ausgangsklemme f angeschlossene Brückentransistor T2 über den Widerstand R4 in seinen leitenden Zustand gesteuert. Außerdem wird der Thyristor Thl über den Koppelkondensator C2 gezündet, so daß die der anstehenden negativen Halbwelle des Referenzoszillators 4 entsprechende Halbwelle am Ausgang des Umrichters 1 über den Thyristor Thl und den Transistor T2 und die Ausgangsklemmen c bzw. d der Polwenderbrücke zu dem angeschlo&-senen Verbraucherwiderstand gelangt.
• 3 Patentansprüche 2 Figuren

Claims (3)

1. Patentansprüche für einen WecI-e1richter zur Spei-Schaltungsanordnung für einen Wecireirichter zur Speisung eines WeL;eistromverbrauchers mit einer alternierenden Spannung, insbesondere einer sinusförmigen Wechselspannung, aus einer Gleichspannungsquelle - mit einem Umrichter, der mit einer im Vergleich zur Frequenz der genannten alternierenden Spannung höheren Frequenz schwingt und der mit einem Modulationssignal, insbesondere in Pulsbreitenmodulation, modulierbar ist, - mit einem Referenzoszillator, aus dessen Ausgangssignal, das in seinem zeitlichen Verlauf der gewünschten alternierenden Spannung entspricht, durch Doppelweggleichrichtung ein Modulationssignal für den Umrichter abgeleitet wird, derart daß das Modulationssignal und damit die Ausgangsspannung des Umrichters aus mit gleicher Polung aufeinanderfolgenden Halbwellen besteht, deren zeitlicher Verlauf dem Betrag nach mit dem zeitlichen Verlauf der gewünschten alternierenden Spannung übereinstimmt, - mit einer steuerbaren Brückenschaltung (Polwenderbrücke) in deren Brückenzweigen Halbleiterschalter angeordnet sind, durch deren wechselnde Ansteuerung die gewünschte alternierende Spannung durch Umpolung von aufeinanderfolgenden Halbwellen der Ausgangsspannung des Umrichters zusammensetzbar ist, wobei in dieser Brückenschaltung jeweils ein einfacher Halbleiterschalter (z.B. ein Transistor) und ein elektrisch bistabiler Halbleiterschalter (z.B. ein Thyristor) einander gegenüberliegen, sowie mit einer durch den genannten Referenzoszillator ansteuerbaren Brückensteuerschaltung zur alternierenden Einschaltung der genannten Halbleiterschalter, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Brückensteuerschaltung (6; Fig. 2) eine monostabile Kippstufe (T7/T8) umfaßt, die bei jedem Polaritätswechsel des Ausgangssignals des Referenzsozillators (4) einschaltbar ist und die während ihrer Einschaltdauer eine Sperrung der in der Brückenschaltung (Thl, Th2, T1, t2) angeordneten einfachen Halbleiterschalter (T1, T2) bewirkt, wobei die Einschaltdauer der monostabilen Kippstufe (T7/ T8) so bemessen ist, ddß die in der Brückenschaltung angeordneten bistabilen Halbleiterschalter (Thl, Th2) während der durch sie gegebenen Zeitspanne mit Sicherheit gelöscht werden.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die monostabile Kippstufe (T7/T8) parallel zu den Steuerstromkreisen der in der Brückenschaltung angeordneten Halbleiterschalter (Thl, Th2, T1, T2) an die Ausgänge eines von einem Nullindikator (V1) steuerbaren Wechselschalters (T3/T4) angeschlossen ist, und daß ihr Ausgang mit den Steuerelektroden zweier Halbleiterschalter (T9, T10) verbunden ist, mittels derer die Steuerstrecken der in der Brückenschaltung angeordneten einfachen Halbleiterschalter (T1, T2) kurzschließbar sind.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die in der Brückenschaltung angeordneten einfachen Halbleiterschalter (T1, T2) mit der der Steuerstrecke (Basis-Emitter-Strecke) angehörenden Elektrode (Emitter) ihrer gesteuerten Schaltstrecke (Emitter-Kollektor-Strecke) an das gemeinsame Bezugspotential (Masse) von Brückenschaltung und Brückensteuerschaltung angeschlossen sind.