DE3241413C2

DE3241413C2 -

Info

Publication number: DE3241413C2
Application number: DE3241413A
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Moriguchi Osaka Jp Tomofuji; Takayoshi Hirakata Osaka Jp Maeda
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1981-11-11
Filing date: 1982-11-09
Publication date: 1989-05-11
Also published as: JPS5883584A; DE3241413A1; US4533987A

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungsschaltung mit drei Einphasengleichrichtern, die an jede der drei Phasen eines dreiphasigen Wechselspannungsnetzes ange schlossen sind und je einen Wechselrichter zur Erzeugung von Hochfrequenzspannung speisen.

Eine derartige Stromversorgungsschaltung ist aus der US-PS 41 43 414 bekannt. Die Wechselrichter sind Resonanz wechselrichter, deren jeder einen Vollwellengleichrichter enthält. Die Gleichspannungsausgänge aller drei Wechsel richter sind parallel geschaltet. Wenngleich die Wechsel richter so ausgelegt sind, daß die Stromversorgungsschal tung für das speisende Drehstromnetz so weit als möglich als ohmsche Last wirkt, wird dieses Ziel nur unvollkommen erreicht, da die Parallelschaltung der ausgangsseitigen Vollwellengleichrichter dazu führt, daß der Laststrom je weils nur von demjenigen Wechselrichter geliefert wird, dessen Ausgangsspannung gerade den höchsten Augenblicks wert hat. Die Wechselrichter müssen daher entweder mit großzügig dimensionierten Ladekondensatoren und Sieb mitteln ausgerüstet sein oder es muß ein lastabhängiger Verzerrungsfaktor des von dem dreiphasigen Wechselspannungs netzes gelieferten Speisestroms in Kauf genommen werden.

Eine weitgehend gattungsgleiche Stromversorgungsschaltung ist auch aus der DE-OS 26 52 275 bekannt. Auch hier ent halten die Wechselrichter Speicher- und Siebmittel. Außer dem sind eingangsseitig als Tiefpässe wirkende Filter vorgeschaltet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromver sorgungsschaltung der einleitend genannten Art zu schaffen, die auch ohne aufwendige Speicherglieder und Siebmittel das speisende Wechselspannungsnetz mit einem Leistungs faktor nahe bei Eins belastet.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Steuerschaltung die Wechselrichter synchron so steuert, daß deren Ausgangsspannungen bei gleicher Frequenz gleichzeitige Nulldurchgänge aufweisen, und daß die Ausgänge der Wechselrichter phasengleich in Serie geschaltet sind.

Diese Stromversorgungsschaltung führt bei geringem Bauteile aufwand und dementsprechend kleinen Abmessungen zu sehr geringen Netzstromverzerrungen, wodurch sich auch die Verluste mindern bzw. der Wirkungsgrad steigt.

Die vorgeschlagene Lösung ist auch dann verwendbar, wenn auf der Lastseite Gleichspannung benötigt wird. Auf eine ent sprechende Ausführungsform ist der Anspruch 2 gerichtet.

Die Zeichnung zeigt eine Stromversorgungsschaltung der Erfindung in beispielsweise gewählten Ausführungsformen in Verbindung mit erläuterten Diagrammen. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Stromversorgungsschaltung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromversorgungsschaltung,

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeits weise dieser Schaltung,

Fig. 4 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung und

Fig. 5 ein Anwendungsbeispiel der Schaltung zur Ver sorgung einer Entladungslampe.

Das Diagramm der Fig. 1 zeigt die prinzipielle Arbeits weise der Schaltung nach der Erfindung. Die gestrichelt gezeichneten Kurven V ₁₂, V ₃₁ und V ₂₃ sind die sinusförmigen Spannungsverläufe der dreiphasigen Stromquelle, die gegen einander um 120° (²/₃ π radian) phasenverschoben sind. Eine wesentliche Eigenschaft des Dreiphasen-Wechselstromes besteht darin, daß die Summe der Leistungen in allen Phasen zu jedem Zeitpunkt konstant und folglich nicht zeitabhängig ist. Beispielsweise ist bei handelsüblichen, allgemein verwendeten Geräten, die mit symmetrischem dreiphasigen Wechselstrom arbeiten, die Leistung P = 3 · E · I · cosϕ, worin E und I die Effektivwerte der verketteten Spannung bzw. des verketteten Stroms und cosϕ der Leistungsfaktor bei Dreieckschaltung der Last sind. Auf diese Weise kann eine konstante Leistung an die Last übertragen werden, wobei die Eingangswechselströme der dreiphasigen Stromquelle ihre Sinusform behalten. Bei einer einphasigen Stromquelle erfährt die ursprüngliche Leistung eine Änderung des Sinusverlaufes, so daß es nicht möglich ist, der Last eine konstante Leistung zuzuführen und hierbei die Verzerrung des Eingangswechselstromes gering zu halten. Die Dreiphasen-Vollweggleichrichterschaltung hat diese Eigenschaft nicht sondern führt zu größeren Verzerrungen der Eingangs wechselströme. Es ist daher notwendig, die jeweiligen Leistun gen dreiphasiger Wechselströme in überlagerbarer Form zur Ver fügung zu stellen, aber wenn die Überlagerung im Dreiphasen system geschieht, wen also beispielsweise lediglich ein Trans formator mit jeder Phase verbunden wird und die Ausgänge der drei Transformatoreinheiten in Serienschaltung überlagert wer den, so wird die Summe der Spannungen gleich Null, so daß die Last nicht mit Leistung versorgt werden kann. Die Erfindung ermöglicht, jedoch die jeweiligen Teilleistungen dadurch zu überlagern, daß jede der Dreiphasen-Wechselspannungen in eine Hochfrequenzspannung umgerichtet wird. Wenn, wie in Fig. 1 dargestellt, die Dreiphasen-Wechselspannungen einzeln in Hoch frequenzspannungen umgerichtet werden, die die gleiche Frequenz haben und den Nulldurchgang gleichzeitig machen, sind die der Spannung V ₁₂ entsprechende Hochfrequenzspannung V _12HF, die der Spannung V ₃₁ entsprechende Hochfrequenz spannung V ₃₁ _HF und die der Spannung V ₂₃ entsprechende Hochfrequenzspannung V ₂₃ _HF gleichphasig, wie das beispiel haft herausgegriffene Zeitintervall t ₀ verdeutlicht.

Die serielle Überlagerung dieser drei Hochfrequenzspannungen ergibt eine im untersten Diagramm der Fig. 1 dargestellte Hochfrequenzspannung V _HF konstanter Amplitude.

Die Dreiphasen-Wechselspannungsleistung wird also in eine konstante, zeitunabhängige HF-Leistung umgerichtet, was gleichbedeutend mit einer erheblichen Verminderung der Verzerrung der Eingangswechselströme ist.

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform der Schaltung, die das vorstehend beschriebene Arbeitsprinzip verwirklicht. An die Netzleiter P ₁ und P ₂ einer dreiphasigen Stromquelle 1 ist über einen Gleichrichter DB ein Wechselrichter 4 angeschlossen, der Schaltelemente Q ₁ und Q ₂, beispielsweise Transistoren, einen Ausgangstransformator T, eine Stromquelle E _B, die den Steuerstrom für die Schaltelemente liefert, sowie Widerstände R ₁ und R ₂ umfaßt. An die Netzleiter P ₂ und P ₃ sowie P ₃ und P ₁ sind über gleichartige Gleichrichter gleichartige Wechselrichter 4′ und 4′′ angeschlossen.

Die Sekundärseiten der Ausgangstransformatoren der jeweiligen Wechselrichter sind in Serie geschaltet und liefern Leistung an eine Last 3. Der Wechselrichter 4 wird gleichzeitig zur Steuerung der Schwingfrequenz der anderen Wechselrichter be nutzt, so daß die Nulldurchgänge gleichzeitig stattfinden. Hierzu werden die Steuer- oder Schaltsignale des Wechselrich ters 4 den Steuereingängen der Schaltelemente der anderen Wechselrichter zugeführt. Die Ausgangstransformatoren liefern die in Fig. 1 dargestellten HF-Spannungen, wobei die Sekun därwicklungen so miteinander verschaltet werden, daß bei der Serienschaltung alle Spannungen bzw. Wellenzüge gleichphasig sind.

Bei der nachfolgenden Funktionsbeschreibung wird auf die Er läuterung der Arbeitsweise der Wechselrichter selbst verzichtet. Während der Wechselrichter 4 mit Selbsterregung arbeitet, be nötigen die Wechselrichter 4′ und 4′′ eine Fremderregung. Hierzu hat der Transformator T des Wechselrichters 4 zusätzliche Wicklungen I, I′ und II, II′, an denen dasselbe Schaltsignal zur Verfügung steht, das die Schaltelemente Q ₁ und Q ₂ des Wech selrichters 4 abwechselnd durchlässig schaltet und sperrt. Jede dieser beiden zusätzlichen Wicklungen ist mit den Steueran schlüssen der Schaltelemente der Wechselrichter 4′ und 4′′ ver bunden, so daß diese mit der gleichen Frequenz und Phasenlage wie der Wechselrichter 4 schwingen und damit die Verwirklichung des in Fig. 1 dargestellten Prinzips gestatten. Die Diagramme der Fig. 3 zeigen, daß der Wechselrichter 4 von einem Strom I ₁₂ durchflossen wird, der in Phase mit der Spannung V ₁₂ zwi schen den Netzleitern P ₁ und P ₂ ist. In gleicher Weise durch fließt den Wechselrichter 4′′ ein Strom I ₁₃, der in Phase mit der Spannung V ₃₁ ist. Der Netzstrom I ₁ ist die Summe aus die sen Strömen I ₁₂ und I ₁₃. Der Verzerrungs- oder Klirrfaktor des Netzstromes I ₁ beträgt hierbei 9%, also nur noch ein Drittel des einleitend genannten Wertes, wobei eine weitere Verminderung auf 3% durch Verwendung eines Oszillator-Wechsel richters möglich ist. Die anderen Netzströme I ₁ und I ₃ haben den gleichen Verlauf und untereinander eine Phasenverschiebung von jeweil 120°. Diese Ströme liefern im Ergebnis an die Last 3 eine HF-Leistung konstanter Amplitude.

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform der Schaltung nach der Erfindung, bei welcher die Ausgänge der Wechselrichter 4, 4′ und 4′′ in Serie geschaltet einen Gleichrichter DB′ speisen, dem ein Glättungskondensator C nachgeschaltet ist, auf den dann die gleichspannungsgespeiste Last 3 folgt. Da der dreiphasige Wechselstrom in eine überlagerte Hochfrequenz spannung entsprechend einer konstanten, zeitunabhängigen Leistung umgeformt ist, ist auch die Amplitude konstant, so daß der Glättungskondensator nur eine verhältnismäßig kleine Kapazität zu haben braucht. Wie im Falle der Ausführungsform nach Fig. 2 ist die Verzerrung des Eingangswechselstromes gering. Hierdurch wird eine Verminderung der Verluste in dem Wechselrichtertransformator mit einer entsprechenden Erhöhung des Wirkungsgrades und einer Verkleinerung der Geräteabmessun gen erzielt.

Fig. 5 zeigt die Anwendung einer Stromversorgungsschaltung der hier vorgeschlagenen Art zur Speisung einer Entladungs lampe. An den Ausgang sind in Serie eine Drosselspule CH und eine Entladungslampe LA als Last angeschaltet. Bei einer Entladungslampe mit einem Wechselrichter als einphasige Strom versorgung wurde eine Verzerrung bzw. ein Klirrfaktor des Eingangswechselstromes im Bereich von 30% festgestellt, was erhebliche Nachteile hat. Da es wünschenswert ist, die Ampli tude der Hochfrequenzspannung durch Verwendung einer Gleich spannungsquelle konstant zu halten, um die Lichtausbeute zu erhöhen und hierdurch Leistung einzusparen, ist eine Gleich richter- und Glättungsschaltung erforderlich, die den notwen digen Gleichstrom aus einer einphasigen Wechselspannungsquelle erzeugt. Der Eingangsstrom ist dann zeitweise gleich Null, wodurch sich eine zusätzliche Erhöhung der Verzerrungen er gibt. Mit einphasigen Spannungsquellen war es daher bislang nicht möglich, die Lichtausbeute einer Entladungslampe zu erhöhen und gleichzeitig die Verzerrung des Eingangswechsel stromes klein zu halten. Dem gegenüber liefert die Schaltung nach der Erfindung eine Hochfrequenzspannung mit konstanter Amplitude und geringer Verzerrung des Eingangswechselstromes, führt also zu einer Erhöhung der Lichtausbeute von Entla dungslampen bei gleichzeitiger Leistungseinsparung. Sofern die Ausgangstransformatoren innerhalb der Wechselrichter 4, 4′ und 4′′ mit Luftspalt ausgeführt sind, kann außerdem die Drosselspule entfallen.

Die hier vorgeschlagene Stromversorgungsschaltung mit Hoch frequenz-Leistungswechselrichtern zur Umrichtung der einzel nen Phasen einer dreiphasigen Stromversorgung in Hochfrequenz spannungen, die phasenrichtig überlagert werden, führt nicht nur zu einer sehr geringen Verzerrung der Eingangswechselströ me sondern ergibt auch eine konstante Ausgangsleistung, hat einen hohen Wirkungsgrad und gestattet die Verwendung kleiner und preiswerter Stromversorgungstransformatoren. Außerdem werden Störungen auf den Versorgungsleitungen sowie Störungen anderer Geräte vermieden. In gleicher Weise wie vorstehend für dreiphasige Wechselspannungsnetze beschrieben, kann die Schaltung nach entsprechender Anpassung auch für mehr als dreiphasige Netze verwendet werden.

Claims

1. Stromversorgungsschaltung mit drei Einphasen gleichrichtern, die an jede der drei Phasen eines dreiphasigen Wechselspannungsnetzes angeschlossen sind und je einen Wechselrichter zur Erzeugung von Hochfrequenzspannung speisen, dadurch gekennzeichnet

- daß eine Steuerschaltung die Wechselrichter (4, 4′, 4′′) synchron so steuert, daß deren Ausgangsspannungen bei gleicher Frequenz gleichzeitige Nulldurchgänge aufweisen, und
- daß die Ausgänge der Wechselrichter (4, 4′, 4′′) phasengleich in Serie geschaltet sind.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie ausgangsseitig eine Gleichrichter- und Glättungsschaltung (DB′, C) aufweist.