DE3443809A1

DE3443809A1 - Two-quadrant converter

Info

Publication number: DE3443809A1
Application number: DE19843443809
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl.-Ing. Franke; Bruno Dipl.-Ing. May; Horst Dipl.-Ing. 4788 Warstein Scholz; Wilhelm Dipl.-Ing. 4770 Soest Sölter
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1984-11-28
Filing date: 1984-11-28
Publication date: 1986-06-05
Also published as: DE3443809C2

Abstract

A converter for converting a DC voltage (E) which is present at its input terminals (+/-) into an AC voltage (W) which occurs at its output terminals (W1, W2) is intended to be designed such that it intrinsically combines an invertor and a controllable rectifier in the case of two-quadrant operation, using as few components as possible. To this end, a first inductor coil (L1) which is connected to a centre tap (1) of a winding of a transformer (T) is connected to the one input terminal (+) via a first switch (S1) and to the other input terminal (-) via a first diode (D1) which is connected such that its forward direction faces the first inductor coil (L1). A second inductor coil (L2), which is likewise connected to the centre tap (1), is connected to the one input terminal (+) via a second diode (D2) which is connected such that its forward direction faces the said input terminal (+), and can be switched to the other input terminal (-) via a second switch (S2). The winding (which is provided with the centre tap (1)) of the transformer (T) is connected to the other input terminal (-) by means of its ends (2, 3), in each case via switching elements (S3, S4) which switch at the same time but in opposite senses. The ends (4, 5) of the other winding of the transformer (T) are connected to the output terminals (W1, W2) of the converter. <IMAGE>

Description

ZweiquadrantentromrichterTwo-quadrant converter

Beschreibung Die Erfindung bezieht sich auf einen Stromrichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.Description The invention relates to a converter according to the preamble of claim 1.

Durch den Prospekt der Firma Sier?ns AG "Getaktetes moduliertes Wechselrichtergerät 2,5 kVA für gesicherte Wechselstromversorgung G60E220/llW2RFG-FGOWE1" ist ein Stromrichter bekannt, der eine an seinen Eingangsklemmen anstehende Gleichspannung in eine an seinen Ausgangsklemmen auftretende Wechselspannung umformt. Zur Blindleistungsrückspeisung ist parallel zu einem getakteten modulierten Umrichter ein Blindlastumrichter geschaltet.From the brochure of the company Sier? Ns AG "Clocked modulated inverter device 2.5 kVA for secured AC power supply G60E220 / llW2RFG-FGOWE1 "is a converter known to convert a DC voltage present at its input terminals into a transforms alternating voltage occurring at its output terminals. For reactive power feedback a reactive load converter is connected in parallel to a clocked modulated converter.

Um einen Zweiquadrantenbetrieb des Stromrichters zu ermöglichen, wird für jede Energierichtung ein gesondertes Gerät benötigt. Das bedeutet einen erheblichen Aufwand.To enable two-quadrant operation of the converter, a separate device is required for each energy direction. That means a significant one Expenditure.

Ein im Zweiquadrantenbetrieb einsetzbarer Stromrichter, der aus der Kombination eines Hochsetzstellers und eines Tiefsetzstellers gebildet wird, ist aus dem Buch von K. Heumann Grundlagen der Leistungselektronik", B.G.Teubner, Stuttgart, 1975, Seite 122 bekannt. Es handelt sich hierbei jedoch um einen Gleichstromsteller, der also ausschließlich zwischen zwei Gleichspannungssystemen betrieben werden kann.A converter that can be used in two-quadrant operation, which is derived from the Combination of a step-up converter and a step-down converter is formed from the book by K. Heumann Fundamentals of Power Electronics ", B.G. Teubner, Stuttgart, 1975, page 122 known. However, this is a DC chopper, which can therefore only be operated between two DC voltage systems.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stromrichter der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem ein Wechselrichter und ein Gleichrichter in einer Schaltung unter Benutzung möglichst derselben Schaltungselemente zusammengefaßt sind, so daß sich ein minimaler Schaltungsaufwand ergibt.The invention is based on the object of providing a converter of the initially specified specified type, in which an inverter and a rectifier in one Circuit combined using the same circuit elements as possible are, so that there is a minimal circuit complexity.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.According to the invention, this object is characterized by what is stated in claim 1 Features solved.

Durch die Kombination von drei einen Tiefsetzsteller bildenden Schaltungselementen (erster Schalter, erste Drossel spule, erste Diode) mit drei einen Hochsetzsteller bildenden Schaltungselementen (zweiter Schalter, zweite Drosselspule, zweite Diode) und dem über die beiden Schaltelemente im Wechsel geschalteten, ohnehin zur Spannungsanpassung in der Regel vorhandenen Transformator wird mit geringem Aufwand ein Zweiquadrantenstromrichter gebildet, der sowohl als Wechselrichter als auch als steuerbarer Gleichrichter einsetzbar ist. Da die beiden Schalter auf stromeinprägende Drosselspulen arbeiten, wird vorteilhafterweise durch diese ein Stromanstieg im Kurzschlußfall begrenzt.By combining three circuit elements forming a buck converter (first switch, first choke coil, first diode) with three boost converters forming circuit elements (second switch, second inductor, second diode) and the one switched alternately via the two switching elements, anyway for voltage adjustment Usually the existing transformer becomes a two-quadrant converter with little effort formed, which can be used both as an inverter and as a controllable rectifier is. Since the two switches work on current-impressing inductors, it is advantageous this limits a current increase in the event of a short circuit.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden.The invention is illustrated below with reference to one shown in the drawing Embodiment are explained.

Es zeigen Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Stromrichters nach der Erfindung und Fig. 2 den zeitlichen Verlauf von Spannungen und Signalen an ausgewählten Stellen der Schaltung nach Fig. 1.1 shows a basic circuit diagram of a converter according to FIG Invention and FIG. 2 shows the time profile of voltages and signals at selected ones Set the circuit according to FIG. 1.

Der im Zweiquadrantenbetrieb betreibbare Stromrichter gemäß Fig. 1 dient der Umwandlung einer an seinen mit + und -bezeichneten Eingangsklemmen anliegenden Gleichspannung E in eine an seinen Ausgangsklemmen W1, W2 mit einer Frequenz fW auftretende Wechselspannung W und umgekehrt.The converter according to FIG. 1, which can be operated in two-quadrant operation is used to convert one of his + and -marked Input terminals applied DC voltage E in one at its output terminals W1, W2 with a Frequency fW occurring alternating voltage W and vice versa.

Zu diesem Zweck ist eine erste, mit der Mittelanzapfung 1 einer Wicklung eines Transformators T verbundene Drosselspule L1 über einen ersten Schalter S1 mit der einen Eingangsklemme (Pluspol) und über eine in Richtung auf die erste Drosselspule L1 gepolte erste Diode Dl an die andere Eingangsklemme (Minuspol) angeschlossen. Die mit der Mittelanzapfung 1 versehene Wicklung des Transformators T ist mit ihren Enden 2,3 jeweils über zeitgleich, gegensinnig schaltende Schaltelemente 53, S4 ebenfalls mit dem Minuspol verbunden. Die Enden 4,5 der anderen Wicklung des Transformators T stehen mit den Ausgangsklemmen W1, W2 des Stromrichters in Verbindung. Außerdem ist eine zweite, ebenfalls mit der Mittelanzapfung 1 des Transformators T verbundene Drosselspule L2 vorgesehen, die an der einen Eingangsklemme (Pluspol) über eine auf diese Eingangsklemme gepolte zweite Diode D2 angeschlossen ist. Der Verbindungspunkt zwischen der zweiten Drosselspule L2 und dem anodenseitigen Anschluß der zweiten Diode D2 kann über einen zweiten Schalter S2 an die andere Eingangsklemme (Minuspol) gelegt werden.For this purpose, a first, with the center tap 1, is a winding a transformer T connected inductor L1 via a first switch S1 with one input terminal (positive pole) and one in the direction of the first choke coil L1 polarized first diode Dl connected to the other input terminal (negative pole). The winding of the transformer T provided with the center tap 1 is with its Ends 2, 3 each via switching elements 53, S4 that switch in opposite directions at the same time also connected to the negative pole. The ends 4,5 of the other winding of the transformer T are connected to the output terminals W1, W2 of the converter. aside from that is a second one, also connected to the center tap 1 of the transformer T. Choke coil L2 is provided, which is connected to one input terminal (positive pole) via a the second diode D2 polarized to this input terminal is connected. The connection point between the second choke coil L2 and the anode-side connection of the second Diode D2 can be connected to the other input terminal (negative pole) via a second switch S2. be placed.

Der erste Schalter S1, die erste Diode D1 und die erste Drosselspule L1 bilden einen Tiefsetzsteller. Durch ein entsprechendes Tastverhältnis des ersten Schalters S1 ist die an der Mittelanzapfung 1 in bezug auf den Minuspol anliegende Spannung A einstellbar. Der Verstellbereich ist 0-A-E. Das Tastverhältnis des ersten Schalters S1 läßt sich so modulieren, daß die Spannung A durch zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgende Sinushalbwellen gebildet ist.The first switch S1, the first diode D1 and the first choke coil L1 form a buck converter. By a corresponding duty cycle of the first Switch S1 is the one at the center tap 1 with respect to the negative pole Voltage A adjustable. The adjustment range is 0-A-E. The duty cycle of the first Switch S1 can be modulated so that the voltage A through instantaneous successive half sine waves is formed.

Die Betriebsfrequenz des ersten Schalters S1 kann dabei zum Beispiel zwischen 10-2000 x fW liegen.The operating frequency of the first switch S1 can be, for example between 10-2000 x fW.

Um eine sinusförmige Wechselspannung W zu erzeugen, muß jede zweite Sinushalbwelle der Spannung A invertiert-' werden. Diese Aufgabe übernimmt der Transformator T sowie die beiden Schaltelemente S3 und S4. Der Transformator T besitzt zusätzlich die Aufgabe der Potentialtrennung und der Spannungsanpassung. Die gegensinnig, zeitgleich schaltenden Schaltelemente S3, S4 können zum Beispiel im 50 Hz-Rhythmus ein- und ausschalten, so daß sich an den Ausgangsklemmen W1, W2 des Stromrichters die gewünschte Wechselspannung W einstellt.To generate a sinusoidal alternating voltage W, must every second half sine wave of voltage A are inverted- '. This task takes over the transformer T and the two switching elements S3 and S4. The transformer T also has the task of electrical isolation and voltage adjustment. The switching elements S3, S4 switching in opposite directions, at the same time, can, for example switch it on and off in a 50 Hz rhythm, so that the output terminals W1, W2 of the converter sets the desired AC voltage W.

Der zeitliche Verlauf der Spannung A im Verhältnis zur Eingangsgleichspannung E, der Verlauf der Ausgangswechselspannung W sowie die Schaltzeiten der beiden Schaltelemente 53, 54 sind in Fig. 2 dargestellt. Be einer Periodendauer tD der Spannung A ergibt sich für die Ausgangswechsel spannung eine Frequenz fW w 121- 1 Mit der Verwendung des ersten Schalters S1, der ersten Diode D1 und der ersten Drosselspule L1 ist ein Energiefluß nur in der Richtung von der Eingangsspannung E zur Spannung A möglich. Um Blindleistung zuzulassen und dabei die Kurvenform beizubehalten, ist ein gesteuerter Energiefluß in umgekehrter Richtung notwendig. Eine Schaltung, die dieses auf einfache Weise ermöglicht, ist durch den zweiten Schalter S2, die zweite Diode D2 und die zweite Drosselspule L2 gegeben. Diese drei Schaltungselemente bilden einen Hochsetzsteller. Durch ein entsprechendes Tastverhältnis des zweiten Schalters S2 ist die Spannung A zwischen 0 und der Spannung E einstellbar.The time course of the voltage A in relation to the input DC voltage E, the course of the alternating output voltage W and the switching times of the two switching elements 53, 54 are shown in FIG. Be the voltage A for a period tD results a frequency fW w 121-1 with the use for the output alternating voltage of the first switch S1, the first diode D1 and the first choke coil L1 energy flow is only possible in the direction from input voltage E to voltage A. In order to allow reactive power while maintaining the curve shape, a controlled Energy flow necessary in the opposite direction. A circuit that makes this simple Way is made possible by the second switch S2, the second diode D2 and the second inductor L2 given. These three circuit elements form a step-up converter. The voltage is determined by a corresponding pulse duty factor of the second switch S2 A adjustable between 0 and voltage E.

Die Schaltelemente S3, S4 sind Thyristoren, die vorzugsweise als GTOs ausgebildet sind. Ihnen sind jeweils Inversdioden D3, D4 antiparallelgeschaltet. Damit ist mit den den Hochsetzsteller bildenen Bauelementen ein gesteuerter Energiefluß von der Wechselspannung W zur Gleichspannung E möglich. Der Stromrichter kann also nicht nur als Wechsel- richter, sondern auch als steuerbarer Gleichrichter arbeiten.The switching elements S3, S4 are thyristors, which are preferably used as GTOs are trained. Inverse diodes D3, D4 are connected in antiparallel to each of them. With the components forming the step-up converter, there is thus a controlled flow of energy from the alternating voltage W to the direct voltage E. So the converter can not only as a change rectifier, but also as a controllable rectifier work.

Zwischen der Mittelanzapfung 1 des Transformators T und dem Minuspol ist ein Kondensator C angeordnet. Dieser Kondensator C dient neben der Glättung der Strompulse vor allen Dingen Meßzwecken, nämlich um festzustellen, ob die Spannung A einem vorgegebenen Sollwert entspricht.Between the center tap 1 of the transformer T and the negative pole a capacitor C is arranged. This capacitor C is used in addition to smoothing of the current pulses mainly for measuring purposes, namely to determine whether the voltage A corresponds to a predetermined target value.

Ist die Spannung A kleiner als der Spannungssollwert, liefert der Tiefsetzsteller mit dem ersten Schalter S1, der ersten Drosselspule L1 und der ersten Diode D1 die fehlende Spannung. Ist die Spannung A größer als der vorgegebene Spannungssollwert (bei Übertragung von Blindleistung oder im Gleichrichterbetrieb), so verringert der Hochsetzsteller aus dem zweiten Schalter S2, der zweiten Drosselspule L2 und der zweiten Diode D2 die Sparnung A und liefert Energie zurück zur Gleichspannungsquelle E.If the voltage A is less than the voltage setpoint, the delivers Buck converter with the first switch S1, the first inductor L1 and the first Diode D1 the missing voltage. If the voltage A is greater than the specified voltage setpoint (when transmitting reactive power or in rectifier operation), so reduced the boost converter from the second switch S2, the second inductor L2 and of the second diode D2 the savings A and supplies energy back to the DC voltage source E.

Die beiden Schalter S1, S2 müssen hochfrequent betrieben werden. Dazu sind besonders Transistoren oder GTO-Thyristoren geeignet. Die beiden Schaltelemente S3, S4 schalten dagegen nur mit der üblicherweise niedrigen Ausgangsfre quenz 1/2 fw Die Ausgangsfrequenz wird in der Regel 50 oder 60 Hz betragen. Der Aufwand für die insgesamt vier Schalter, von denen drei sogar auf gleichem Potential liegen, ist damit gering.The two switches S1, S2 must be operated at high frequencies. In addition transistors or GTO thyristors are particularly suitable. The two switching elements S3, S4, on the other hand, only switch with the usually low output frequency 1/2 fw The output frequency will usually be 50 or 60 Hz. The effort for the total of four switches, three of which are even at the same potential, is thus low.

Da die erzeugten Sinushalbwellen der Spannung A einander prinzipiell gleich sind, sind auch immer die positive und negative Halbwelle der Ausgangsspannung W einander gleich.Since the generated half-sine waves of the voltage A are in principle mutually exclusive are the same, the positive and negative half-waves of the output voltage are always the same W equal to each other.

Vorteilhafterweise ist somit nie ein störender Gleichspannungsanteil vorhanden.Advantageously, there is therefore never a disruptive DC voltage component available.

Die zuvor für einen einphasigen Stromrichter beschriebene Schaltung ist selbstverständlich auch dreiphasig ausführbar. -- Lee rs e it e -The circuit previously described for a single-phase converter can of course also be implemented in three phases. - Lee rs e it e -

Claims

Two-quadrant converters Patent claims Converters for conversion a DC voltage present at its input terminals into one at its output terminals occurring alternating voltage and vice versa, characterized in that - a first with the center tap (1) of a winding of a transformer (T) connected choke coil (L1) via a first switch (S1) to one input terminal (+) and via one first diode (D1) polarized in the direction of the first choke coil (L1) to the other Input terminal (-) is connected, - a second, also with the center tap (1) connected choke coil (L2) via one in the direction of the one input terminal (+) polarized second diode (D2) connected to this and via a second switch (S2) can be switched to the other input terminal (-) and - the one with the center tap (1) provided winding of the transformer (T) with their ends (2,3) each above switching elements (S3, S4) switching in opposite directions at the same time with the other input terminal (-) is connected and the ends (4,5) of the other winding of the transformer (T) at the output terminals (W1, W2).

2. Converter according to claim 1, characterized in that the two at the ends (2,3) of one winding of the transformer (T) connected switching elements (S3, S4) low frequency and the first and second switch (S1, 52) high frequency are switchable.

3. Converter according to one of claims 1 or 2, characterized in that that the two are connected to the ends (2,3) of one winding of the transformer (T) Switching elements (S3, S4) as polarized in the direction of the other input terminal (-) Thyristors are formed, each of which has a diode (D3, D4) connected in anti-parallel is.

4. Converter according to one of claims 1 to 3, characterized in that that between the center tap (1) of a winding of the transformer (T) and the other input terminal (-) a capacitor (C) is connected.