DE3109750C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung der im Gattungs­ begriff des Patentanspruches 1 angegebenen Art. Eine solche Schaltungsanordnung ist bereits in der älteren deutschen Patent­ anmeldung P 30 40 556.2 beschrieben.

Wechselrichter dienen zur Erzeugung alternierender Span­ nungen, insbesondere sinusförmiger Wechselspannungen aus einer Gleichspannung (Batterie). Mit ihrer Hilfe lassen sich Verbraucher, die entweder ausschließlich mit Wech­ selspannung betrieben werden können, z. B. Wechselstrom­ motoren, oder deren serienmäßige Auslegung nicht geän­ dert werden kann oder soll, bei Netzausfall oder in Ein­ satzfällen, bei denen ein Netzanschluß nicht oder vor­ übergehend nicht zur Verfügung steht, aus einer Batterie speisen.

Bekannte Wechselrichter enthalten einen sogenannten Um­ richter, der als Sperrwandler oder als Ein- oder Gegen­ taktdurchflußwandler ausgebildet ist, mit einer im Ver­ gleich zur Frequenz der gewünschten alternierenden Span­ nung wesentlich höheren Frequenz schwingt und durch ein der gewünschten alternierenden Spannung entsprechendes aus einem Referenzoszillator abgeleitetes Modulationssi­ gnal, 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 Ausgangsspannung des Umrichters aus mit gleicher Polarität aufeinanderfolgenden Halbwellen be­ steht, so daß der in dem Umrichter vorhandene Transforma­ tor nur eine Sekundärwicklung benötigt und damit wesent­ lich besser ausgenutzt wird als dies bei Schaltungen der Fall ist, in denen für jede Polarität der Ausgangsspan­ nung eine getrennte Sekundärwicklung erforderlich ist. Die Ausgangsspannung des Umrichters wird einer steuerba­ ren Brückenschaltung (Polwenderbrücke) zugeführt, mit de­ ren Hilfe die gewünschte alternierende Spannung durch Um­ polung von aufeinanderfolgenden Halbwellen der Ausgangs­ spannung des Umrichters zusammensetzbar ist. In den Brüc­ kenzweigen der Polwenderbrücke befinden sich Halbleiter­ schalter, die mit der Frequenz des Referenzoszillators ein- und ausschaltbar sind.

Bevorzugte Schaltelemente der Leistungselektronik sind derzeit Thyristoren, Thyristoren sind elektrisch bistabi­ le 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 Span­ nung an der gesteuerten Strecke (Kathoden-Anodenstrecke) einen vorbestimmten Mindestwert (Halte- oder Brennspan­ nung) nicht unterschreitet. Die Verwendung von Thyristo­ ren 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 benö­ tigen, steht der Nachteil gegenüber, daß Vorkehrungen ge­ troffen 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 Steu­ erschaltung zur Ansteuerung der Brückenschaltung, können diejenigen Brückenschaltmittel, die mit einer Elektrode an dieses Bezugspotential angeschlossen sind, ohne galva­ nische Trennung angesteuert werden. Es ist insbesondere ohne weiteres möglich, sie mit einem während der gesamten stromführenden Periode andauernden Dauersignal anzusteu­ ern. Daher empfiehlt es sich, diese Brückenschaltmittel nicht als Thyristoren sondern als einfache, d. h. nicht bi­ stabile Halbleiterschalter, z. B. als Transistoren auszu­ bilden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungs­ anordnung der im Gattungsbegriff des Patentanspruches 1 beschriebenen Art so auszubilden, daß mit geringem Schal­ tungsaufwand ein sicheres Löschen der in den Brückenzwei­ gen 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 Er­ findung sind Gegenstand der Unteransprüche, auf die hier­ mit zur Verkürzung der Beschreibung ausdrücklich verwie­ sen wird.

Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnung nä­ her erläutert.

Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild eines Wechselrichters gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt Schaltungseinzelheiten der Schaltung zur An­ steuerung der in Fig. 1 dargestellten Polwender­ brücke.

Der in Fig. 1 dargestellte Wechselrichter umfaßt einen Um­ richter 1, der von einer Batterie 2 gespeist wird und durch einen Modulator 3 modulierbar ist. Das Modulations­ signal 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 5 abgegebenen Soll-Spannung nachgeregelt wird.

Die an den Klemmen a und b auftretende Ausgangsspannung des Umrichters 1, die in ihrem zeitlichen Verlauf der Aus­ gangsspannung des Gleichrichters 5 entspricht, also aus einer Folge von im vorliegenden Fall sinusförmigen Halb­ wellen gleicher Polarität besteht, wird einer Polwender­ brücke zugeführt, deren Schaltelemente aus Thyristoren Th 1, Th 2 und Transitoren T 1 und T 2 bestehen. Diese Schalt­ elemente werden von einer Brückensteuerschaltung 6 derart angesteuert, daß während zweier aufeinanderfolgender Halb­ wellen jeweils zwei in der Brücke einander gegenüberlie­ gende 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 ge­ wünschte alternierende Spannung zur Speisung eines Wech­ selstromverbrauchers 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 Nullindikator 7 von dem Referenzoszillator 4 gesteu­ ert wird.

Fig. 2 zeigt Einzelheiten der Brückensteuerschaltung 6 und des Nullindikators 7. Letztere besteht im wesentli­ chen aus einem Operationsverstärker V 1, dessen invertie­ render Eingang von dem Referenzoszillator 4 angesteuert wird und an dessen Ausgang ein Signal mit niedrigem Pegel­ wert erscheint, wenn die Signalspannung des Referenzoszil­ lators 4 von einer negativen zu einer positiven Halbwelle wechselt. Der Ausgang des Operationsverstärkers V 1 ist mit einem aus zwei Transistoren T 3 und T 4 bestehenden Wechselschalter verbunden. Die beiden Ausgänge dieses Wechselschalters stehen mit den beiden Ausgangsklemmen e und f zur Ansteuerung der Brückentransistoren T 1 und T 2 direkt und mit Transistoren T 5 und T 6 zur Ansteuerung der mit U 1 und U 2 bezeichneten Zündtransformatoren über Kop­ pelkondensatoren C 1 und C 2 in Verbindung. Die Sekundär­ wicklungen der Zündtransformatoren U 1 und U 2 stehen über Dioden D 1 und D 2 mit Ausgangsklemmen g und h in Verbin­ dung, die zu den Steuerelektroden der Brückenthyristoren Th 1 bzw. Th 2 führen. Die anderen Wicklungsenden der Se­ kundärwicklungen führen über Ausgangsklemmen k und i zu den Kathoden der genannten Thyristoren.

Die Schaltung beinhaltet ferner einen aus einem rückge­ koppelten Operationsverstärker V 2 bestehenden Zündoszilla­ tor, dessen Ausgangsimpulse U 1 und U 2 angekoppelt werden und die ein sicheres Zünden der betroffenen Thyristoren ermögli­ chen, sobald die über die Koppelkondensatoren C 1 bzw. C 2 ansteuerbaren Transistoren in ihren leitenden Zustand ge­ langen.

Die Ausgänge des aus den Transistoren T 3 und T 4 bestehen­ den Wechselschalters sind ferner über Koppelkondensatoren C 3 und C 4 an eine aus den beiden Transistoren T 7 und T 8 bestehenden monostabilen Kippstufe angeschlossen. Der Aus­ gang dieser monostabilen Kippstufe führt zu den Basiselek­ troden zweier Schalttransistoren T 9 und T 10, mittels de­ rer die Basisstromkreise der beiden Brückentransistoren T 1 und T 2 kurzgeschlossen werden können.

Im folgenden sei die Wirkungsweise der Schaltung gemäß Fig. 2 kurz erläutert:

Es sei angenommen, daß das Ausgangssignal des Referenz­ oszillators 4 von einer negativen zu einer positiven Halb­ welle wechselt. Das dem invertierenden Eingang des Opera­ tionsverstärkers V 1 über die Widerstände R 1 und R 2 zuge­ führte positive Signal bewirkt, daß am Ausgang des Opera­ tionsverstärkers V 1 ein niedriger Signalpegel auftritt, durch welchen der Transistor T 4 gesperrt und der Transi­ stor T 3 in seinen leitenden Zustand gesteuert wird. Dement­ sprechend tritt am Kollektor des letzteren eine positive Signalspannung auf, die über den Widerstand R 3 zu dem Aus­ gang e und über den Koppelkondensator C 1 zur Basis des Transistors T 5 gelangt. Über den Koppelkondensator C 3 schaltet das Signal ferner die aus den Transistoren T 7 und T 8 bestehende monostabile Kippstufe ein, die während ihrer Einschaltdauer die beiden Transistoren T 9 und T 10 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 Brüc­ kentransistors T 2 kurzgeschlossen, so daß dieser gesperrt wird und der mit ihm in Reihe geschaltete Brückenthyristor Th 2 mit Sicherheit erlischt. Nach Ablauf der Rückstellzeit der monostabilen Kippstufe T 7/T 8 steuert das Signal an der Ausgangsklemme e den Brückentransistor T 1 in seinen leitenden Zustand. Außerdem wird über die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors T 5 die Primär­ wicklung des Transformators U 2 zur Zündung des Thyristors Th 2 mit einem Zündimpuls beaufschlagt. Über den Transi­ stor T 1 und den ihm in der Polwenderbrücke gegenüberlie­ genden Thyristor Th 2 wird die der positiven Halbwelle des Referenzoszillators 4 entsprechende Halbwelle am Ausgang des Umrichters 1 dem an die Ausgangsklemme c und d ange­ schlossenen Verbraucher zugeführt.

Beim nächstfolgenden Polaritätswechsel des Ausgangssignals des Referenzoszillators 4 gelangt wieder der Transistor T 4 in seinen leitenden Zustand, während der Transistor T 3 gesperrt wird. Die Signalspannung am Emitter des Transi­ stors T 4, die über den Koppelkondensator C 4 zur Basis des Transistors T 7 gelangt, kippt die monostabile Kippstufe T 7/T 8 von neuem, so daß der Transistor T 9 vorübergehend leitend wird und den Brückentransistor T 1 sperrt. Infolge­ dessen wird der während der positiven Halbwelle des Re­ ferenzoszillators 4 gezündete Brückenthyristor Th 2 ge­ löscht. Nach Ablauf der Einschaltdauer der monostabilen Kippstufe T 7/T 8 wird der an die Ausgangsklemme f ange­ schlossene Brückentransistor T 2 über den Widerstand R 4 in seinen leitenden Zustand gesteuert. Außerdem wird der Thy­ ristor Th 1 über den Koppelkondensator C 2 gezündet, so daß die der anstehenden negativen Halbwelle des Referenzoszilla­ tors 4 entsprechende Halbwelle am Ausgang des Umrichters 1 über den Thyristor Th 1 und den Transistor T 2 und die Aus­ gangsklemme c bzw. d der Polwenderbrücke zu dem angeschlos­ senen Verbraucherwiderstand gelangt.

Claims (4)

1. Schaltungsanordnung für einen Wechselrichter zur Spei­ sung eines Wechselstromverbrauchers mit einer alternieren­ den Spannung, insbesondere einer sinusförmigen Wechsel­ spannung, aus einer Gleichspannungsquelle

• - mit einem Umrichter, der mit einer im Vergleich zur Fre­ quenz der genannten alternierenden Spannung höheren Fre­ quenz schwingt und der mit einem Modulationssignal, ins­ besondere in Pulsbreitenmodulation, modulierbar ist,
• - mit einem Referenzoszillator, aus dessen Ausgangssignal, das in seinem zeitlichen Verlauf der gewünschten alter­ nierenden Spannung entspricht, durch Doppelweggleich­ richtung ein Modulationssignal für den Umrichter abge­ leitet wird, derart daß das Modulationssignal und damit die Ausgangsspannung des Umrichters aus mit gleicher Po­ lung aufeinanderfolgenden Halbwellen besteht, deren zeitlicher Verlauf dem Betrag nach mit dem zeitlichen Verlauf der gewünschten alternierenden Spannung überein­ stimmt,
• - mit einer steuerbaren Brückenschaltung (Polwenderbrücke), in deren Brückenzweigen Halbleiterschalter angeordnet sind, durch deren wechselnde Ansteuerung die gewünschte alternierende Spannung durch Umpolung von aufeinander­ folgenden Halbwellen der Ausgangsspannung des Umrichters zusammensetzbar ist, wobei in dieser Brückenschaltung jeweils ein einfacher Halbleiterschalter (z. B. ein Tran­ sistor) 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,

dadurch gekennzeichnet, daß die Brückensteuerschaltung (6; Fig. 2) eine monosta­ bile Kippstufe (T 7/T 8) umfaßt, die bei jedem Polaritäts­ wechsel des Ausgangssignals des Referenzoszillators (4) angestoßen (eingeschaltet) wird und die während ihrer Einschaltdauer eine Sperrung beider in der Brückenschaltung (Th 1, Th 2, T 1, T 2) angeordneten einfachen Halbleiterschalter (T 1, T 2) bewirkt, wobei die Einschaltdauer der monostabilen Kippstufe (T 7/ T 8) so bemessen ist, daß die in der Brückenschaltung ange­ ordneten bistabilen Halbleiterschalter (Th 1, Th 2) während der durch sie gegebenen Zeitspanne mit Sicherheit gelöscht werden.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die monostabile Kippstu­ fe (T 7/T 8) parallel zu den Steuerstromkreisen der in der Brückenschaltung angeordneten Halbleiterschalter (Th 1, Th 2, T 1, T 2) an die Ausgänge eines von einem Nullindika­ tor (7; V 1) steuerbaren Wechselschalter (T 3/T 4) angeschlos­ sen ist, und daß ihr Ausgang mit den Steuerelektroden zweier Halbleiterschalter (T 9, T 10) verbunden ist, mit­ tels derer die Steuerstrecken der in der Brückenschaltung angeordneten einfachen Halbleiterschalter (T 1, T 2) kurz­ schließbar sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die in der Brückenschaltung angeordneten einfachen Halbleiterschal­ ter (T 1, T 2) mit der der Steuerstrecke (Basis-Emitter- Strecke) angehörenden Elektrode (Emitter) ihrer gesteuer­ ten Schaltstrecke (Emitter-Kollektor-Strecke) an das ge­ meinsame Bezugspotential (Masse) von Brückenschaltung und Brückensteuerschaltung angeschlossen sind.