DE3443809C2

DE3443809C2 -

Info

Publication number: DE3443809C2
Application number: DE19843443809
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl.-Ing. Franke; Bruno Dipl.-Ing. May; Horst Dipl.-Ing. 4788 Warstein De Scholz; Wilhelm Dipl.-Ing. 4770 Soest De Soelter
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1984-11-28
Filing date: 1984-11-28
Publication date: 1988-11-10
Also published as: DE3443809A1

Description

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

Ein derartiger Stromrichter ist aus der DE-Zeitschrift "ELO", Heft 11, 1984, Seiten 60 und 61, bekannt. Es wird ein Stromrichter zur Umformung einer an seinen Eingangsklemmen anstehenden Gleichspannung in eine an seinen Ausgangsklemmen auftretenden Wechselspannung und umgekehrt beschrieben, der als Batterieladegerät ausgelegt ist. Zur Gleichrichtung dient ein ungesteuerter Gleichrichter.Such a converter is from DE magazine "ELO", Issue 11, 1984, pages 60 and 61, known. There will be a converter Conversion of a DC voltage at its input terminals to an AC voltage occurring at its output terminals and vice versa described, which is designed as a battery charger. For rectification serves an uncontrolled rectifier.

Ferner ist ein im Zweiquadrantenbetrieb einsetzbarer Stromrichter, der aus der Kombination eines Hochsetzstellers und eines Tiefsetzstellers gebildet wird, 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.Furthermore, a converter that can be used in two-quadrant operation, 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. However, this is a DC chopper can only be operated between two DC voltage systems can.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stromrichter der eingangs genannten Art verfügbar zu machen, bei dem ein Wechselrichter und ein gesteuerter Gleichrichter in einer Schaltung unter Benutzung möglichst derselben Schaltelemente zusammengefaßt sind, so daß sich ein minimaler Schaltungsaufwand ergibt.The invention has for its object a converter of the type mentioned to make available one inverter and one controlled Rectifiers in a circuit using the same if possible Switching elements are combined, so that there is minimal circuitry results.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Maßnahmen gelöst.This object is achieved according to the invention by the Claim 1 marked measures solved.

Durch die Kombination von drei einen Tiefsetzsteller bildenden Schaltungselementen (erster Schalter, erste Drosselspule, 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 low-voltage converters Circuit elements (first switch, first choke coil, first diode) with three circuit elements forming a step-up converter (second Switch, second inductor, second diode) and that over the two Switching elements switched alternately, anyway for voltage adjustment Usually existing transformer is installed with little effort Two quadrant converter formed, which is used both as an inverter can also be used as a controllable rectifier. Because the two switches working on current-choking coils is advantageous this limits a current rise in the event of a short circuit.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous configurations are in the subclaims featured.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Es zeigt The invention is based on one in the drawing illustrated embodiment are explained. It shows

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Stromrichters nach der Erfindung und Fig. 1 is a schematic diagram of a converter according to the invention and

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf von Spannungen und Signalen an ausgewählten Stellen der Schaltung nach Fig. 1. Fig. 2 shows the time history of voltages and signals at selected points in the circuit of 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 W 1, W 2 mit einer Frequenz f _W auftretende Wechselspannung W und umgekehrt. . The operable in two-quadrant operation power converter of Figure 1 is used for the conversion of a at its + and - appearing alternating voltage with a frequency f applied designated input terminals DC voltage E in a at its output terminals W 1, W 2 _W W and vice versa.

Zu diesem Zweck ist eine erste, mit der Mittelanzapfung 1 einer Wicklung eines Transformators T verbundene Drosselspule L 1 über einen ersten Schalter S 1 mit der einen Eingangsklemme (Pluspol) und über eine in Richtung auf die erste Drosselspule L 1 gepolte erste Diode D 1 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 S 3, S 4 ebenfalls mit dem Minuspol verbunden. Die Enden 4, 5 der anderen Wicklung des Transformators T stehen mit den Ausgangsklemmen W 1, W 2 des Stromrichters in Verbindung. Außerdem ist eine zweite, ebenfalls mit der Mittelanzapfung 1 des Transformators T verbundene Drosselspule L 2 vorgesehen, die an der einen Eingangsklemme (Pluspol) über eine auf diese Eingangsklemme gepolte zweite Diode D 2 angeschlossen ist. Der Verbindungspunkt zwischen der zweiten Drosselspule L 2 und dem anodenseitigen Anschluß der zweiten Diode D 2 kann über einen zweiten Schalter S 2 an die andere Eingangsklemme (Minuspol) gelegt werden.For this purpose, a first choke coil L 1 connected to the center tap 1 of a winding of a transformer T is connected via a first switch S 1 to the one input terminal (positive pole) and via a first diode D 1 polarized in the direction of the first choke coil L 1 the other input terminal (negative pole) is connected. The ends 2, 3 of the winding of the transformer T provided with the center tap 1 are also connected to the negative pole via switching elements S 3 , S 4 which switch at the same time in opposite directions. The ends 4, 5 of the other winding of the transformer T are connected to the output terminals W 1 , W 2 of the converter. In addition, a second choke coil L 2 , which is also connected to the center tap 1 of the transformer T , is provided, which is connected to the one input terminal (positive pole) via a second diode D 2 polarized to this input terminal. The connection point between the second inductor L 2 and the anode-side connection of the second diode D 2 can be connected to the other input terminal (negative pole) via a second switch S 2 .

Der erste Schalter S 1, die erste Diode D 1 und die erste Drosselspule L 1 bilden einen Tiefsetzsteller. Durch ein entsprechendes Tastverhältnis des ersten Schalters S 1 ist die an der Mittelanzapfung 1 in bezug auf den Minuspol anliegende Spannung A einstellbar. Der Verstellbereich ist 0A E. Das Tastverhältnis des ersten Schalters S 1 läßt sich so modulieren, daß die Spannung A durch zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgende Sinushalbwellen gebildet ist. Die Betriebsfrequenz des ersten Schalters S 1 kann dabei zum Beispiel zwischen 10-2000×f _W liegen.The first switch S 1 , the first diode D 1 and the first choke coil L 1 form a buck converter. The voltage A present at the center tap 1 with respect to the negative pole can be set by a corresponding pulse duty factor of the first switch S 1 . The adjustment range is 0 A E. The duty cycle of the first switch S 1 can thus modulate that voltage A is formed by directly successive temporally sinusoidal half waves. The operating frequency of the first switch S 1 can be, for example, between 10-2000 × f _W.

Um eine sinusförmige Wechselspannung W zu erzeugen, muß jede zweite Sinushalbwelle der Spannung A invertiert werden. Diese Aufgabe übernehmen der Transformator T sowie die beiden Schaltelemente S 3 und S 4. Der Transformator T besitzt zusätzlich die Aufgabe der Potentialtrennung und der Spannungsanpassung. Die gegensinnig, zeitgleich schaltenden Schaltelemente S 3, S 4 können zum Beispiel im 50-Hz- Rhythmus ein- und ausschalten, so daß sich an den Ausgangsklemmen W 1, W 2 des Stromrichters die gewünschte Wechselspannung W einstellt.In order to generate a sinusoidal AC voltage W , every second sine half-wave of voltage A must be inverted. This task is performed by the transformer T and the two switching elements S 3 and S 4 . The transformer T also has the task of electrical isolation and voltage adjustment. The opposite, simultaneous switching elements S 3 , S 4 can, for example, switch on and off in a 50 Hz rhythm, so that the desired AC voltage W is set at the output terminals W 1 , W 2 of the converter.

Der zeitliche Verlauf der Spannung A im Verhältnis zur Eingangsgleichspannung E, der Verlauf der Ausgangswechselspannung W sowie die Schaltzeiten der beiden Schaltelemente S 3, S 4 sind in Fig. 2 dargestellt. Bei einer Periodendauer τ der Spannung A ergibt sich für die Ausgangswechselspannung eine FrequenzThe time course of the voltage A in relation to the input DC voltage E, the course of the output AC voltage W and the switching times of the two switching elements S 3 , S 4 are shown in FIG. 2. With a period τ of the voltage A , a frequency results for the AC output voltage

Mit der Verwendung des ersten Schalters S 1, der ersten Diode D 1 und der ersten Drosselspule L 1 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 S 2, die zweite Diode D 2 und die zweite Drosselspule L 2 gegeben. Diese drei Schaltelemente bilden einen Hochsetzsteller. Durch ein entsprechendes Tastverhältnis des zweiten Schalters S 2 ist die Spannung A zwischen 0 und der Spannung E einstellbar.With the use of the first switch S 1 , the first diode D 1 and the first choke coil L 1 , an energy flow is only possible in the direction from the input voltage E to the voltage A. To allow reactive power while maintaining the curve shape, a controlled energy flow in the opposite direction is necessary. A circuit which makes this possible in a simple manner is provided by the second switch S 2 , the second diode D 2 and the second inductor L 2 . These three switching elements form a step-up converter. The voltage A can be set between 0 and the voltage E by a corresponding pulse duty factor of the second switch S 2 .

Die Schaltelemente S 3, S 4 sind Thyristoren, die vorzugsweise als GTOs ausgebildet sind. Ihnen sind jeweils Inversdioden D 3, D 4 antiparallelgeschaltet. Damit ist mit den den Hochsetzsteller bildenden Bauelementen ein gesteuerter Energiefluß von der Wechselspannung W zur Gleichspannung E möglich. Der Stromrichter kann also nicht nur als Wechselrichter, sondern auch als steuerbarer Gleichrichter arbeiten.The switching elements S 3 , S 4 are thyristors, which are preferably designed as GTOs. Inverse diodes D 3 , D 4 are each connected in anti-parallel. A controlled energy flow from the AC voltage W to the DC voltage E is thus possible with the components forming the step-up converter. The converter can therefore not only work as an inverter, but also as a controllable rectifier.

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. Ist die Spannung A kleiner als der Spannungssollwert, liefert der Tiefsetzsteller mit dem ersten Schalter S 1, der ersten Drosselspule L 1 und der ersten Diode D 1 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 S 2, der zweiten Drosselspule L 2 und der zweiten Diode D 2 die Spannung A und liefert Energie zurück zur Gleichspannungsquelle E. A capacitor C is arranged between the center tap 1 of the transformer T and the negative pole. In addition to smoothing the current pulses, this capacitor C serves primarily for measuring purposes, namely to determine whether the voltage A corresponds to a predetermined setpoint. If the voltage A is less than the voltage setpoint, the step-down converter supplies the missing voltage with the first switch S 1 , the first choke coil L 1 and the first diode D 1 . If the voltage A is greater than the specified voltage setpoint (when transmitting reactive power or in rectifier operation), the step-up converter from the second switch S 2 , the second inductor L 2 and the second diode D 2 reduces the voltage A and supplies energy back to the DC voltage source E.

Die beiden Schalter S 1, S 2 müssen hochfrequent betrieben werden. Dazu sind besonders Transistoren oder GTO-Thyristoren geeignet. Die beiden Schaltelemente S 3, S 4 schalten dagegen nur mit der üblicherweise niedrigen Ausgangsfrequenz 2 f _W. 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 S 1 , S 2 must be operated at high frequency. Transistors or GTO thyristors are particularly suitable for this. The two switching elements S 3 , S 4, on the other hand, only switch with the usually low output frequency 2 f _W. 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 therefore 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. Vorteilhafterweise ist somit nie ein störender Gleichspannungsanteil vorhanden.Since the generated sine half-waves of voltage A are basically the same, the positive and negative half-waves of output voltage W are always the same. Advantageously, there is never a disturbing DC component.

Die zuvor für einen einphasigen Stromrichter beschriebene Schaltung ist selbstverständlich auch dreiphasig ausführbar.The one previously described for a single phase converter Circuit can of course also be carried out in three phases.

Claims

1. converter for converting a DC voltage present at its input terminals into an AC voltage occurring at its output terminals and vice versa with a transformer, the winding of which is provided with a center tap and is connected with its two ends to an input terminal via a switching element with a diode antiparallel to it, wherein the two switching elements with respect to one input terminal allow the same direction of current flow and are switched simultaneously, in opposite directions and at low frequencies in the range of the mains frequency, and the other winding of which has its ends at the output terminals, characterized in that
that a first choke coil ( L 1 ) connected to the center tap ( 1 ) via a first switch ( S 1 ) to the other input terminal (+) and via a first diode ( D 1 ) polarized in the direction of the first choke coil ( L 1 ) ) to which an input terminal (-) is connected,
that a second, also with the center tap ( 1 ) connected choke coil ( L 2 ) via a polarized in the direction of the other input terminal (+) connected to this second diode ( D 2 ) and via a second switch ( S 2 ) to the one Input terminal (-) is switchable and
that the switches ( S 1 , S 2 ) are transistors or thyristors that can be switched off, which are switched in comparison to the two low-frequency switching elements ( S 3 , S 4 ) with a significantly higher frequency such that between the center tap ( 1 ) and one input terminal (-) there is a rectified voltage in the form of sine half-waves.

2. Converter according to claim 1, characterized in that the two at the ends ( 2, 3 ) of a winding of the transformer (T) connected switching elements ( S 3 , S 4 ) as in the direction of the one input terminal (-) thyristors polarized are trained.

3. Converter according to one of claims 1 or 2, characterized in that between the center tap ( 1 ) of the one winding of the transformer (T) and the one input terminal (-) a capacitor (C) is placed.