DE3935243A1 - Wechselrichter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Insbesondere handelt es sich um einen solchen, der im Zusammenhang mit einer Batterie bei einer ausfallgesicherten Stromversorgung oder dergleichen Verwendung findet.

In Fig. 1 ist ein Wechselrichter aufgezeichnet, der mit einer herkömmlichen Batterie kombiniert wird und der beispielsweise aus der Druckschrift "Thyristor usage manual" P-406 (OHM Co. Ltd., September 30, 1988) bekannt ist. In dieser Abbildung werden mit der Bezugsziffer 1 Eingangsklemmen bezeichnet, die mit einer nicht darge­ stellten Wechselstromquelle verbunden sind. Mit 2 ist ein Gleichrichter, bestehend aus Thyristoren 2a bis 2b bezeichnet, die von einer nicht dargestellten Steuerung angesteuert werden, um die Wechselstromspannung an den Eingangsklemmen in eine Gleichspannung umzuformen. Mit der Bezugsziffer 3 ist eine Drossel bezeichnet, welche Brumm- Spannungen auf der Gleichstromspannung dämpft. Mit der Bezugsziffer 4 ist ein Glättungskondensator für die Gleichspannung bezeichnet. Mit 5 ist ein Wechselrichter bezeichnet, der "selbstlöschende" Halbleiter 5a bis 5d (abschaltbare Halbleiter) aufweist, um die Gleichspannung über dem Kondensator 4 in eine Wechselspannung zu verwandeln. Eine Steuerschaltung 6 ist vorgesehen, welche den Wechsel­ richter 5 ansteuert und die Ausgangswechselspannung kontrolliert. Mit den Bezugsziffern 7 und 8 sind eine Drossel bzw. ein Kondensator bezeichnet, welcher (höher- frequente) Wechsel­ spannungsanteile in der Ausgangswechselspannung aus dem Wechselrichter 5 absorbieren. Mit 9 sind Wechselspannungs­ ausgangsklemmen bezeichnet. Eine Batterie 10 ist vorgesehen, die parallel zum Kodensator 4 geschaltet ist und zusätzlich Spannungsschwankungen auf der Gleichspannung ausgleicht.

Im folgenden wird die Funktion des bekannten Gegenstandes beschrieben. Wenn am Eingangsanschluß 1 eine Wechselstrom­ quelle angeschlossen ist, die sich in einem normalen Zustand befindet, so wird die Eingangswechselspannung vom Gleichrichter in eine Gleichspannung gewandelt. Die Gleichspannung wird auf einen Sollwert über eine Phasensteuerung der Thyristoren 2a bis 2d eingestellt.

Die Gleichspannung enthält Brummspannungskomponenten, die durch die Gleichrichtung der Wechselspannung entstehen. Die Brummspannungskomponenten werden über die Drossel 3 und den Kondensator 4 gedämpft, so daß eine Gleichspannung mit einer geringen Brummkomponente zum Wechselrichter 5 gelangt.

Der Wechselrichter 5 wandelt die Gleichspannung in eine vorbestimmte Wechselspannung, die über die Steuerschaltung 6 so eingestellt wird, daß sie auf einem Sollwert liegt und eine Soll-Wellenform aufweist, indem das Schaltverhalten der Transistoren 5a bis 5d entsprechend beeinflußt wird.

Die Ausgangswechselspannung aus dem Wechselrichter 5 enthält (höher-frequente) Wechselspannungskomponenten aufgrund des Schaltens der Transistoren 5a bis 5b. Diese Komponenten werden über die Drossel 7 über den Kondensator 8 absorbiert, so daß eine im wesentlichen von höher-frequenten Wechselspannungen freie Wechselspannung an den Ausgangsklemmen 9 ansteht.

Der Kondensator 4 in der Gleichspannungsschaltung absorbiert auch einen Brummstrom, der auf der Gleichstromseite vom Wechselrichter 5 erzeugt wird. Weiterhin wird die Batterie 10, welche im Gleichspannungskreis liegt, in diesem Zustand "schwimmend" geladen. Wenn jedoch der Ladestrom für die Batterie 10 Brummkomponenten enthält, so erzeugen diese in der Batterie 10 Wärme. Demzufolge werden die Brumm­ komponenten unter einen von der Drossel 3 definierten Betrag unterdrückt.

Wenn die Wechselstromquelle, z. B. das Wechselstromversorgungs­ netz, ausfällt, wird der Gleichstromkreis von der Batterie 10 gespeist, und der Wechselrichter 5 wandelt die Gleichspannung in eine Wechselspannung, die dann an den Ausgangsklemmen anliegt. Die an den Ausgangsklemmen 9 anliegende Wechsel­ spannung steht also kontinuierlich zur Verfügung und kann einer Last unabhängig von einem Leistungsausfall der Wechselstromquelle zugeführt werden. Dies ist dann der Fall, wenn der Wechselrichter als ausfallsichere Stromversorgungs­ einheit Verwendung findet. Der in der oben beschriebenen Weise ausgeführte bekannte Wechselrichter benötigt nun für die Drossel 3 eine solche mit hoher Induktivität. Nun wird an sich der Wechselrichter 5 beim Erzeugen der Wechselspannung nur wenig von den Brummkomponenten beeinflußt, die somit in dem Gleichstromkreis vorliegen dürften. Andererseits muß aber der Ladestrom für die Batterie 10 mit nur geringen Brumm­ komponenten vorliegen, so daß unbedingt die hohe Induktivität der Drossel 3 gegeben sein muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß eine Verkleinerung der Gleichstrom-Glättungsdrossel ermöglicht wird.

Der erfindungsgemäße Wechselrichter ist einer Batterie nach­ geschaltet, die parallel zum Gleichstromausgang eines Gleich­ richters liegt, der eine Wechselspannung in eine Gleichspannung wandelt und ist mit einer Drossel ausgestattet, die Brumm­ komponenten im Ladestrom beim Laden der Batterie mit einer Gleichspannung aus dem Gleichrichter unterdrückt, wobei die Drossel beim Entladen der Batterie durch einen Entladestrom gesättigt wird, wenn dieser über einem vorbestimmten Wert liegt.

Weitere wesentliche Merkmale ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung. Diese werden im folgenden anhand von Abbildungen näher erläutert. Hierbei zeigen

Fig. 1 eine Schaltung eines herkömmlichen Wechsel­ richters,

Fig. 2 eine Schaltung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Ausführungsform nach Fig. 2, und

Fig. 4 und 5 Schaltungen einer zweiten und dritten bevor­ zugten Ausführungsform der Erfindung.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezug auf Fig. 2 er­ läutert, wobei die zur Fig. 5 gleichen oder gleichwirkenden Teile mit denselben Bezugsziffern versehen sind.

In Fig. 1 ist mit der Bezugsziffer 11 eine sättigbare Drossel in Reihe zwischen der Batterie 10 und den Gleichstromkreis angeordnet.

Im folgenden wird die Funktion dieser Ausführungsform erläutert. Der Sättigungsstromwert (bei welchem die sättigbare Drossel 11 gesättigt wird) ist auf einen Wert eingestellt, der über dem Wert des Ladestroms für die Batterie 10 liegt. Wenn die Batterie 10 "schwimmend" geladen wird, so weist die Drossel 11 einen festgelegten Induktivitätswert auf und Brummkomponenten aus dem Ladestrom werden unter einen zulässigen Wert gedämpft.

Im folgenden wird die Funktion der Ausführungsform erläutert, wenn die Wechselstromquelle ausfällt, wobei Bezug auf Fig. 3 genommen wird, welche den Verlauf des Batteriestroms zeigt. Wenn zum Zeitpunkt t1 die Wechselstromquelle ausfällt, so sinkt die Spannung in den Gleichstromkreis und der Ladestrom für die Batterie 10 nimmt ab. Der Ladestrom für die Batterie 10 kehrt seine Polarität um und geht zum Zeitpunkt t2 in einen Entladestrom über.

Wenn nun der Entladestrom den Sättigungspegel der Drossel 11 zu einem Zeitpunkt t3 überschreitet, wird die Drossel 11 gesättigt und ihre Induktivität geht im wesentlichen auf Null. Dadurch steigt der Entladestrom plötzlich an und wird gleich dem Gleichstrom zum Wechselrichter 5 und die Spannung im Gleichstromkreis wird gleich der Batteriespannung.

Im Zeitintervall zwischen t1 und t3 wird gleichzeitig dem Gleichstromkreis des Wechselrichters 5 vom Kondensator 4 Energie zugeführt.

Der magnetisierbare Kern der Drossel 11 muß nur so eingestellt werden, daß er bei einem Strom gesättigt ist, der dem Betrag nach geringfügig größer als der maximale Ladestrom ist. Das Stromleitvermögen der Wicklung auf der Drossel 11 muß dem Entladestrom angepaßt sein bzw. diesen aushalten.

Nachdem die Entladezeit durch die Kapazität der Batterie festgelegt ist, kann man die Wicklung entsprechend einer Kurz-Belastungszeit auslegen.

Nachdem weiterhin der Ladestrom ebenfalls durch die Kapazität der Batterie 10 festgelegt ist, kann man über eine Einbeziehung des Temperaturanstiegs (der über Versuche herausfindbar ist) den Sättigungs-Strompegel der Drossel anheben und eine Miniaturisierung der Drossel dadurch erreichen, daß diese in einem Bereich gesättigt wird, in welchem ein Anfangslade­ strom über eine kurze Zeitdauer hinweg groß ist, wobei man weiterhin die Drossel so betreiben kann, daß sie Brummkomponenten von dem Zeitpunkt an unterdrückt, wenn der Ladestrom abnimmt, so daß sie dann in den "schwimmenden" Ladezustand übergeht.

In Fig. 4 ist die Schaltung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Mit der Bezugsziffer 11 ist eine Drossel bezeichnet, die in Reihe zu einer Batterie 10 geschaltet ist. Mit der Drossel 11 in Reihe ist ein Shunt-Wider­ stand 12 geschaltet. Über dem Shunt 12 ist ein Tiefpaßfilter 14 angeschlossen, dem eine Diode 13 vorgeschaltet ist. Am Tiefpaß­ filter 14 liegt durch die Einschaltung der Diode 13 nur dann eine Spannung an bzw. fließt ein Strom nur dann, wenn ein Ladestrom in die Batterie 10 fließt. Mit 15 ist ein dem Tief­ paßfilter 14 nachgeschalteter Verstärker bezeichnet, der dessen Ausgangsspannung verstärkt. Mit 16 ist eine zweite Wicklung bezeichnet, die auf die Drossel 11 aufgewickelt ist und die mit dem Ausgangsstrom des Verstärkers 15 gespeist wird.

Die Funktionsweise dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden beschrieben. Wenn die Batterie 10 geladen ist, fließt ein Strom durch den Shunt-Widerstand 12, dessen Gleichstromkomponente Brummkomponenten überlagert sind. Über dem Shunt-Widerstand entsteht somit eine Abtastspannung, die über die Diode 13 in das Tiefpaßfilter 14 gelangt.

Das Tiefpaßfilter 14 dämpft lediglich die Brummkomponenten in der Abtastspannung und gibt die Gleichstromkomponente weiter. Der Verstärker 15 verstärkt den Ausgang des Tiefpaß­ filters 14 und führt eine Spannungs-/Stromwandlung mit fest­ gelegtem Wandlungskoeffizienten durch, so daß der entsprechende Strom durch die zweite Wicklung 16 der Drossel 11 fließt.

Wenn der Strom-/Spannungswandlungskoeffizient A des Widerstands 12, der Spannungs-/Stromwandlungskoeffizient B des Verstärkers 15 und das Wicklungsverhältnis n zwischen der Wicklung 16 und der Hauptwicklung der Drossel zur Erfüllung folgender Gleichung:

A×B×n=1

gewählt werden, so wird der magnetische Fluß aufgrund der Gleichstromkomponente durch die Hauptwicklung der Drossel 11 über den magnetischen Fluß aufgrund des Stroms durch die zweite Wicklung 16 aufgehoben und im wesentlichen auf Null reduziert. Demzufolge weist die Drossel 11 eine Induktivität ausschließlich für die Brummkomponenten auf und hält diesen Brummstrom gegenüber der Batterie 10 zurück.

Wenn nun die Wechselstromquelle ausfällt, so ändert sich die Funktion der Batterie 10 vom Ladezustand in den Entladezustand. Die Richtung des Stromflusses durch die Drossel 11 und den Shunt-Widerstand 12 wird umgekehrt. Die Polarität der Abtast­ spannung über dem Shunt-Widerstand 12 kehrt sich darum um und der entsprechende Strom wird durch die Diode 13 blockiert, so daß kein Strom mehr durch die zweite Wicklung 16 fließt.

Wenn nun der Wert des Entladestroms aus der Batterie 10 größer wird als ein vorbestimmter Wert und demzufolge die Drossel 11 gesättigt ist und im wesentlichen keine Induktivität mehr auf- weist, so wird der Anstieg des Entladestroms durch nichts verzögert, so daß die Stromversorgung des Gleichstromkreises ebenfalls durch nichts verzögert wird.

Fehler im Tiefpaßfilter 14 oder Verstärker 15 oder dergleichen können leicht durch eine Überwachung des hier eingesetzten Verstärkers erkannt werden.

Fig. 5 zeigt eine Schaltung einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Mit der Bezugsziffer 17 ist in Fig. 5 ein Fühlerelement für den magnetischen Fluß, z. B. ein Hallelement bezeichnet, das über eine Diode 18 mit dem Eingang des Tiefpaßfilters 14 verbunden ist. Dieser Fühler stellt den magnetischen Fluß im Kern der Diode 11 fest und wandelt diesen in eine Spannung. Wenn die Batterie 10 geladen wird, so tastet das Fühlerelement 17 den magnetischen Fluß in der Drossel 11 ab, wobei weiterhin nur die Gleichstrom­ komponente in der Abtastspannung durch das Tiefpaßfilter 14 gelangt. Über den Verstärker 15, der eine Spannungs-/Strom­ wandlung durchführt, gelangt die Gleichstromkomponente in die zweite Wicklung 16 der Drossel 11.

Durch eine geeignete Auswahl des Wandlungskoeffizienten im Fühlerelement 17 für den magnetischen Fluß, eine entsprechende Spannungs-/Stromwandlungsrate des Verstärkers 15 und ein entsprechendes Windungsverhältnis der zweiten Wicklung zur Hauptwicklung der Drossel wird der magnetische Fluß aufgrund der Gleichstromkomponente des durch die Hauptwicklung der Drossel 11 fließenden Stroms im wesentlichen zu Null und die Drossel 11 weist lediglich eine Induktivität für Brummkompo­ nenten auf, so daß sie das Fließen eines Brummstroms in die Batterie 10 wirksam verhindert.

Wenn die Wechselstromquelle ausfällt, so wird die Batterie 10 in den Entladezustand gebracht. Die Polarität (bzw. Richtung) des magnetischen Flusses der Drossel 11 kehrt sich um und die Fühlerspannung aus dem Fühlerelement 17 wird von der Diode 18 abgeblockt. Demzufolge fließt kein Strom durch die zweite Wicklung 16 der Drossel 11, so daß diese wie bei der vorigen Ausführungsform gesättigt wird.

In obigem Beispiel wurden einphasige Thyristorwandler (bzw. Gleichrichter) und einphasige Transistorwechselrichter gezeigt. Selbstverständlich ist es möglich, die Erfindung auch auf drei- oder mehrphasige Systeme anzuwenden. In jedem Fall ist der gleiche Effekt erzielbar.

Aus obigem geht hervor, daß gemäß der vorliegenden Erfindung eine Drossel vorgesehen ist, welche Brummkomponenten im Ladestrom beim Laden der Batterie unterdrückt. Beim Entladen wird die Drossel dann gesättigt, wenn der Entladestrom oberhalb eines vorbestimmten Wertes liegt. Diese Drossel liegt in Reihe mit der Batterie. Dadurch kann die Drossel, insbesondere ihr Kern verkleinert werden, so daß die ganze Schaltung kleiner und kostengünstiger gefertigt werden kann.

Claims (4)

1. Wechselrichterschaltung mit einem Gleichrichter (2), der eine Wechselspannung in eine Gleichspannung wandelt und eine Gleichspannung ausgibt, mit einem Wechselrichter (5), der die Gleichspannung in eine Wechselspannung wandelt und die Wechselspannung einer Last zuführt, und mit einer Batterie (10), die parallel zum Gleichspannungsausgang des Gleichrichters (2) geschaltet ist, gekennzeichnet durch , eine Drossel (11), die in Reihe mit der Batterie (10) liegt, und die so ausgebildet ist, daß sie Brummkomponenten im Ladestrom während des Ladens der Batterie (10) durch den Ladestrom aus dem Gleichrichter (2) unterdrückt und die beim Entladen durch einen Entladestrom gesättigt wird, der einen Wert oberhalb eines vorbestimmten Wertes aufweist.

2. Wechselrichterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (12-17) vorgesehen sind, welche den magnetischen Fluß im wesentlichen zu Null machen, der durch einen Ladestrom durch eine Hauptwicklung der Drossel (11) erzeugt wird.

3. Wechselrichterschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Unterdrücken des magnetischen Flusses einen Shunt-Widerstand (12) in Reihe mit der Drossel (11), ein Tiefpaßfilter (14), an dessen Eingang die Spannung über dem Shunt-Widerstand (12) über eine Diode (13) liegt, und eine Wicklung (16) umfaßt, der ein dem Ausgang des Tief­ paßfilters (14) proportionaler Strom zugeführt wird, um einen magnetischen Fluß, der durch einen Strom durch die Hauptwicklung der Drossel (11) erzeugt wird, zu unterdrücken oder zu erzeugen.

4. Wechselrichterschaltung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Unterdrücken des magnetischen Flusses einen Fühler (17) zum Feststellen des magnetischen Flusses aufweisen, der den magnetischen Fluß aufgrund eines durch die Hauptwicklung der Drossel (11) fließenden Stroms feststellt, wobei weiterhin ein Tiefpaßfilter (14) vorgesehen ist, welchem eine Fühlerspannung des Fühlerelementes (17) für den magneti­ schen Fluß über eine Diode (18) zugeführt wird, wobei weiter­ hin eine zweite Wicklung (16) auf der Drossel (11) vorge­ sehen ist, welcher ein Strom entsprechend dem Ausgang des Tiefpaßfilters (14) zugeführt wird, um den magnetischen Fluß zu unterdrücken bzw. einen solchen zu erzeugen.