DE69020873T2

DE69020873T2 - Wechselrichter und Leistungsversorgungseinrichtung desselben.

Info

Publication number: DE69020873T2
Application number: DE69020873T
Authority: DE
Inventors: Dimitri Dobrenko; Rafael Mogilner; Daniel Rubin
Original assignee: Systel Development and Industries Ltd
Current assignee: Systel Development and Industries Ltd
Priority date: 1989-12-26
Filing date: 1990-04-12
Publication date: 1996-04-04
Anticipated expiration: 2010-04-13
Also published as: ATE125080T1; DE69020873D1; JPH03215174A; EP0434889A2; CA2014612C; EP0434889A3; EP0434889B1; CA2014612A1

Description

NINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wechselrichter, der elektrische Energie von einer Gleichstromversorgung an eine Last liefert. Die Erfindung kann ebenfalls vorteilhaft in der ununterbrochenen Energieversorgung und Ersatzenergieversorgung (Standby-Versorgung) verwendet werden und wird deshalb auch im folgenden unter Bezugnahme auf diese Anwendungen beschrieben.
Viele Formen von Wechselrichterschaltkreisen, die Gleichspannung in Wechselspannung wandeln, sind bekannt. Ein bekannter Schaltkreis, der als "Rücklauf"-Typ benannt und beispielsweise im Artikel "A New Family of Single-Phase und Three-Phase Inverters" von Sayed-Amr El-Hamamsy und R.D. Middlebrook, PCI, October 1985 Proceedings, Seiten 84-98, beschrieben wird, umfaßt einen Transformator, der eine an der Gleichstromversorgung gekoppelte Primärwicklung und einen Schalter aufweist, der die Gleichstromversorgung unterbricht, so daß Energie erzeugt wird, die im Transformator gespeichert werden soll, dessen Energie von der Sekundärwicklung ausgegeben wird.
DE-A-2728377 (das US 4,213,173 entspricht) beschreibt einen Wechselrichter, um elektrische Energie von einer Gleichstromversorgung an eine Last zu liefern, der folgendes umfaßt: einen Transformator, der einen an der Gleichstromversorgung gekoppelten Primarwicklungsschaltkreis und einen an die Last gekoppelten Sekundärwicklungsschaltkreis einschließt; wobei der Primärwicklungsschaltkreis, der einen ersten Schalter zur Unterbrechung der Gleichstromversorgung einschließt, so daß Energie im Transformator gespeichert wird; wobei der Sekundärwicklungsschaltkreis mindestens einen zweiten in eine Richtung wirkenden Schalter einschließt, der eine Ausgabe eines Vorzeichens erzeugt, wenn er geschlossen ist; wobei der Primärwicklungsschaltkreis weiterhin eine elektrische Vorrichtung umfaßt, die bewirkt, daß energie zur Gleichstromversorgung zurückgeleitet wird, wenn der erste und zweite Schalter offen sind; und einen Steuerschaltkreis, der den Betrieb des ersten und zweiten Schalters steuert.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wechselrichter bereitzustellen, der gegenüber den oberen Systemen viele Vorteile aufweist, wie nachfolgend eingehender ausgeführt werden wird.
Andere Aufgaben der Erfindung bestehen in der Bereitstellung einer ununterbrochenen Energieversorgung sowie einer Ersatzenergieversorgung (Standby-Versorgung), die den neuartigen Wechselrichter benutzen.

KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Wechselrichter des vorhergehenden Typs bereitgestellt, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerschaltkreis den Betrieb der ersten und zweiten Schalter zum gleichfreauentigen Öffnen und Schließen getrennt und unabhängig steuert, so daß während eines Intervalls in jedem Zyklus der Schalter im Primärwicklungsschaltkreis geschlossen wird, um eine geregelte Menge von Überschußenergie zu erzeugen, die im Transformator gespeichert wird, wobei während eines zweiten Intervalls der Schalter in der Sekundärwicklung geschlossen wird, um Energie an die Last zu liefern, und wobei während eines dritten Intervalls in jedem Zyklus die Schalter sowohl im Primär- als auch im Sekundärwicklungsschaltkreis offen sind, und die Überschußenergie, die im Transformator gespeichert ist, zur Gleichstromversorgung zurückgeleitet wird, wodurch eine schnelle und stabile Steuerung erlaubt wird.
Nach einem anderen wichtigen, nachfolgend beschriebenen Merkmal der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, umfaßt der Steuerschaltkreis folgendes: Mittel zum Schließen des ersten und Öffnen des zweiten oder dritten Schalters, um ein erstes Intervall in jedem Zyklus zu starten, während dem Energie im Transformator gespeichert wird; im Anschluß an das erste Intervall in Betrieb tretende Mittel, um den ersten Schalter zu öffnen und den aktiven zweiten oder dritten Schalter zu schließen, damit ein zweites Intervall in jedem Zyklus gestartet wird, während dem die im Transformator gespeicherte Energie an die Last abgegeben wird oder im Falle einer Blindlast, Energie der Last im Transformator gespeichert wird; und im anschluß an das zweite Intervall in Betrieb tretende Mittel, um alle Schalter zum Starten eines dritten Intervalls zu öffnen, während dem die im Transformator daraufhin gespeicherte Überschußenergie mittels des Primärwicklungsschaltkreises zur Gleichstromversorgung zurückgeführt werden kann.
Wie nachfolgend eingehender beschrieben wird, ist ein derartiger Wechselrichter für einen Vier-Quadrant-Betrieb geeignet, wobei während des ersten und dritten Quadrantens Energie an die Last abgegeben wird, und die im Transformator oder in der Last gespeicherte Überschußenergie zur Gleichstromversorgung zurückgeführt werden kann, um sie während des zweiten und vierten Quadranten auf zuladen. Neben der Fähigkeit für einen Vier-Quadrant-Betrieb erlaubt der Wechselrichter der vorliegenden Erfindung eine schnelle und stabile Steuerung.
Der Vier-Quadrant-Betrieb des Wechselrichters bietet besondere Vorteile, wenn er in einer ununterbrochenen Energieversorgung und ebenso in einer Ersatzstromversorgung verwendet wird. Auf diese Weise vermeidet er die Notwendigkeit der Bereitstellung von großen getrennten Ladegeräten, die man in solchen Systemen normalerweise benötigt, um über eine voll geladene Sicherungs-Energieversorgung zu verfügen. Die Erfindung wird deshalb nachfolgend auch unter Bezugnahme auf diese Anwendungen beschrieben.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, die eine unterschiedliche Steuerungsablauf aufweist, wird ebenfalls gezeigt. Nach dieser Ausführungsform öffnet der Primärwicklungshilfsschaltkreis zu Beginn eines jeden Zyklus den ersten Schalter und schließt den ersten Schalter zu einem späteren Zeitpunkt im Zyklus, sobald am Ende des entsprechenden Zyklus die im Transformator gespeicherte Energie einen vorherbestimmten Wert erreicht; und der Sekundärwicklungshilfsschaltkreis schließt zu Beginn des entsprechenden Zyklus den zweiten Schalter und öffnet den zweiten Schalter, wenn die Spannung am Ausgang des Sekundärwicklungsschaltkreises einen vorherbestimmten Wert erreicht; so daß beim Öffnen des ersten Schalters und Schließen des zweiten Schalters ein erstes Intervall gestartet wird, während dem Energie im Transformator der Last abgegeben wird; ein zweites Intervall wird durch das Öffnen des zweiten Schalters gestartet, während dem Überschußenergie im Transformator zur Energieversorgung zurückgeführt wird; und ein drittes Intervall wird durch Schließen des ersten Schalters gestartet, während dem Energie im Transformator gespeichert wird.
Es wird folglich ersichtlich, daß in der ersten beschriebenen Ausführungsform das Intervall (darin Intervall III), während dem Überschußenergie an die Energieversorgung abgegeben wird, einen festgelegten Endzeitpunkt aufweist; wohingegen dieses Intervall (Intervall II) in der letzteren Ausführungsform eine "fließende" Dauer aufweist. Daraus folgt, daß Intervall II in der letzteren Ausführungsform durch das Öffnen des Sekundärwicklungsschalters (der "zweite Schalter") gestartet wird, wenn die Spannung am Ausgang des Sekundärwicklungsschaltkreises einen vorherbestimmten Wert erreicht, und durch das Schließen des Primärwicklungsschalters (der "erste Schalter") an dem Zeitpunkt im Zyklus beendet wird, wenn, am Ende des Zyklus, die im Transformator gespeicherte Energie einen vorherbestimmten Wert erreicht. Solch eine "fließende" Anordnung, um das Intervall zu bestimmen, in dem im Transformator gespeicherte Überschußenergie der Energieversorgung abgegeben wird, erzeugt einen wirksameren und stabileren Betrieb.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung offensichtlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Die Erfindung wird hierin nur mittels Beispielen unter Bezugnahme auf die anhängenden Figuren beschrieben, wobei:
Fig. 1 ein Blockdiagramm ist, das die Hauptbestandteile des in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gebauten Wechselrichters zeigt;
Fig. 2 ein Diagramm ist, das die Bestandteile des Wechselrichters im System von Fig.1 noch eingehender zeigt;
Fig. 2a eine Variation im Primärwicklungsschaltkreis des Wechselrichters von Fig.2 zeigt;
Fig. 3 ein Magnetfluß-Diagramm ist, das dazu dient, den Betrieb des Wechselrichters der vorliegenden Erfindung zu erklären;
Fig. 4 ein Blockdiagramm ist, das die Hauptbestandteile der Steuereinheit im Wechselrichter der Fign. 1, 2 und 2a veranschaulicht;
Fig. 5 ein Blockdiagramm ist, das den Primärwicklungsschaltkreis im Blockdiagramm der Fig.4 veranschaulicht;
Fig. 6 ein Blockdiagramm ist, das die Hauptbestandteile des Sekundärwicklungsschaltkreises in der Steuereinheit von Fig.4 veranschaulicht.
Fig. 7 ein Blockdiagramm ist, das insbesondere den Aufbau des Flußpegel-Referenzgenerators in der Steuereinheit der Fig.4 veranschaulicht;
Fig. 8a eine andere Variation im Primärwicklungsschaltkreis des Transformators im Wechselrichter der Fign. 1-4 veranschaulicht, und die Fign. 8b und 8c Variationen im Sekundärwicklungsschaltkreis des Transformators im Wechselrichter der Fign. 1-4 veranschaulichen;
Fig. 9 ein Blockdiagramm ist, das eine Form von ununterbrochener Energieversorgung einschließlich des neuartigen Wechselrichters der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
Fig. 10 eine andere Form der ununterbrochenen Energieversorgung einschließlich des neuartigen Wechselrichters der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
Fig. 11 eine Ersatzstromversorgung einschließlich des neuartigen Wechselrichters der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
Fig. 12 ein Magnetfluß-Diagramm ist, das einen modifizierten Steuerungsablauf in der beschriebenen Ausführungsform zeigt;
Fig. 13 ein Blockdiagramm ist, das den Primärwicklungshilfsschaltkreis in der beschriebenen Ausführungsform veranschaulicht;
Fig. 14 eine Form des Magnetfluß-Meßschaltkreises veranschaulicht, die im Hilfsschaltkreis der Fig 13 verwendet werden kann; und
Fig. 15 eine Form des Flußbedarfs-Schätzwert- Schaltkreises veranschaulicht, die im Magnetfluß-Meßschaltkreis der Fig.14 sowie im Schaltkreis der Fign. 1-11 verwendet werden kann.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Grundaufbau des Wechselrichters (Fign. 1 und 2)

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das die Hauptbestandteile eines Wechselrichters veranschaulicht, der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, und Fig. 2 veranschaulicht jene Bestandteile noch deutlicher.
Somit umfaßt der Wechselrichter eine Gleichstrom- Batterieversorgung 2, die mittels einer Primärwicklungs- Schalterschaltung 6 Energie an einen Transformator 4 liefert. Die Sekundärwicklung von Transformator 4 wird von einer Sekundärwicklungs-Schalterschaltung 8 gesteuert, um die Energie mittels eines Ausgabefilters 12 an eine Last 10 auszugeben. Eine Steuereinheit 14 empfängt Eingaben von der Eingabe in den Primärwicklungsschaltkreis des Transformators 4; und ebenfalls von der Ausgabe des Sekundärwicklungsschaltkreises des Transformators an die Last 10, und steuert als Reaktion auf solche Eingaben die Schalterschaltung der Primärwicklungs- Schalterschaltung 6 und der Sekundärwicklungs-Schalterschaltung 8
Fig. 2 veranschaulicht eingehender die Hauptbestandteile des Wechselrichters der Fig. 1. Somit umfaßt der Transformator 4, wie in Fig. 2 gezeigt, zwei Primärwicklungen N&sub1;, N&sub2;, die mit der Gleichstromversorgung 2 verbunden sind, und zwei Sekundärwicklungen N&sub3;, N&sub4;, um mittels eines Filters 12 und ebenfalls mittels eines Ausgabekondensators 16, der mit dem Ausgabeschaltkreis der Sekundärwicklungen des Transformators verbunden ist, Energie an die Last 10 zu liefern. Die Last 10 kann eine Blindlast sein, so daß sie während des ersten und dritten Quadranten vom Wechselrichter Energie empfängt und während des zweiten und vierten Quadranten Energie zum Wechselrichter zurückführt.
Die Primärwicklungs-Schalterschaltung, die von Block 6 in Fig. 1 gezeigt wird, umfaßt einen Schalter S&sub1; zwischen der Gleichstromversorgung und der Primärwicklung N&sub2;, der durdh die Steuerung der Steuereinheit 14 unterbrochen wird&sub1; um zu veranlassen, daß Energie im Transformator gespeichert wird. Die Primärwicklungs-Schalterschaltung umfaßt weiterhin eine in eine Richtung wirkende leitende Vorrichtung oder Diode D&sub1;, die mit der Energieversorgung und Primärwicklung N&sub1; in Reihe geschaltet ist. Diode D&sub1; bewirkt, daß während des zweiten und vierten Quadranten Energie zur Gleichstromversorgung 2 zurückgeliefert wird, wie nachfolgend eingehender beschrieben wird.
Der vom Block 8 in der Fig. 2 veranschaulichte Sekundärwicklungs-Schalterschaltung schließt zwei weitere Schalter S&sub2;, S&sub3; ein, die durch ihre jeweiligen in eine Richtung wirkenden leitenden Vorrichtungen D&sub3;, D&sub4; in entgegengesetzter Richtung gepolt sind. Einer der beiden Schalter würde während jedes Betriebszyklus, abhängig vom Vorzeichen der Ausgabe, die vom Wechselrichter an die Last abgegeben wird, aktiv sein. Solchermaßen wäre, wenn Schalter S&sub3; der aktive ist, Schalter S&sub2; fortwährend offen, und Schalter S&sub3; würde beim Auftreten eines Vorzeichens der Ausgabeimpulse während genauer Intervalle eines jeden Zyklus geschlossen werden; wohingegen Schalter S&sub3;, wenn Schalter S&sub2; der aktive ist, fortwährend offen wäre und Schalter S&sub2; beim Auftreten eines entgegengesetzten Vorzeichens der Ausgabeimpulse während genauer Intervalle geschlossen würde.
Schalter S&sub1;, S&sub2;, S&sub3; werden von der Steuereinheit 14 auf solche Weise gesteuert, daß der Vier-Quadrant-Betrieb mit schneller Steuerung erreicht wird. Der Vier-Quadrant-Betrieb wird mittels der Hinzugabe der oben erwähnten Diode D&sub1; im Primärwicklungsschaltkreis erlaubt, so daß Diode D&sub1; einen Pfad zum Aufladen der Batterieversorgung 2 in einem bestimmten Intervall während eines jeden Zyklus bereitstellt, in dem die im Transformator gespeicherte und nicht in der Last verwendete Energie zur Batterieversorgung zurückgeführt wird, um diese aufzuladen.

Magnetfluß-Diagramm (Fig. 3)

Die Art und Weise, in der der oben beschriebene Vier- Quadrant-Betrieb erfolgt, kann besser unter Bezugnahme auf das in Fig. 3 veranschaulichte Magnetfluß-Diagramm nachvollzogen werden, das zeigt, was während eines jeden Zyklus geschieht. So ist jeder Zyklus wie folgt in drei Intervalle I, II, III untergeteilt:
Intervall I ist ein Energie-speicherndes oder - ansammelndes Intervall, in dem Energie im Transformator gespeichert wird. Dieses Intervall wird durch Schließen von Schalter S&sub1; zu Beginn eines Zyklus gestartet, wenn beide Schalter S&sub2; und S&sub3; offen sind, so daß der Strom in der Primärwicklung N&sub2; gemäß der folgenden Gleichung anzusteigen beginnt:
Ip =Iop+(Vdc t)/Lp
wobei: Ip der Augenblicksstrom in der Primärwicklung N&sub2; ist; Iop der Anlaufstrom ist; Vdc die Batteriespannung ist; und Lp die Induktivität der Primärwicklung N&sub2; ist.
Intervall II ist normalerweise ein Energie-abgebendes Intervall und wird durch das Öffnen des Schalters S&sub1; und das Schließen des aktiven Schalters S&sub2; oder S&sub3; gestartet, abhängig vom Vorzeichen des Ausgabestroms. Während der Quadranten 1 und 3 dieses Intervalls wird die im Transformator gespeicherte Energie mittels der Sekundärwicklung N&sub3; oder N&sub4; zum Aufladen des Kondensators 16 (Fig. 2) für die Abgabe an die Last (10 Fig. 1) verwendet, abhängig davon, ob Schalter S&sub2; oder S&sub3; der aktive und der geschlossene ist. Während der Quadranten 1 und 3 des Intervalls II nimmt der Strom in der Sekundärwicklung mit der Zeit ab, wie durch die hinuntergehende Linie IIa wie folgt gezeigt wird:
Is=Ios-(Vout t)/Ls
wobei: I der Augenblicksstrom in der Sekundärwicklung ist; und Ios ist Iop(Np/Ns).
Wenn die Last eine Blindlast ist, wird auf der anderen Seite die Energie aus der Last während der Quadranten 2 und 4 im Transformator gespeichert. Somit wird die Enegie aus der Last im Transformator gespeichert, wie mittels der ansteigenden Linie IIb gemäß der folgenden Gleichung gezeigt wird:
Is=Ios-(-Vout t)Ls Intervall III startet durch Schließen des aktiven Schalters S&sub2; oder S&sub3; unabhängig davon, welcher der beiden gemäß des Vorzeichens der Ausgabe im Intervall II geschlossen worden ist, wobei der Schalter S&sub1; im Primärwicklungsschaltkreis offen bleibt. Dementsprechend sind alle Schalter offen. Während dieses Intervalls kann der Überschuß an Energie, die nicht an die Last abgegeben wurde, mittels Diode D&sub1; und der Primärwicklung N&sub1; zur Gleichstromversorgung 2 zurückgeführt werden, wobei der Strom durch die letztere Wicklung wie folgt abnimmt:
Id=Iod-(Vdc t)/Lp
wobei: Id der Augenblicksstrom durch die Diode D&sub1; und die Wicklung N&sub1; zur Batterieversorgung 2 ist; Iod der Anlaufstrom durch die Wicklung N&sub1; ist; und Lp die Induktivität der Primärwicklung N&sub1; ist.
In bezug auf Intervall III beschreibt die hinuntergehende Linie IIIA in Fig. 3 auf diese Weise die Überschußenergie, die mittels der Diode D&sub1; und der Primärwicklung N&sub1; während der Quadranten 2 und 4 zur Energieversorgung zurückgeführt wird, wohingegen die hinuntergehende Linie IIIc die Überschußenergie beschreibt, die während der Quadranten 2 und 4 in einer Blindlast zur Energieversorgung zurückgeführt wird.
In einigen Fällen dürfte jedoch kein Bedürfnis der Energierückführung zur Gleichstromversorgung bestehen. In einem solchen Fall kann die Energie lediglich im Transformator behalten werden, wie durch die horizontale Linie IIIB in Fig. 3 gezeigt. Fig. 2a veranschaulicht eine Anordnung des Primärwicklungsschaltkreises, die zur Durchführung des durch die horizontale Linie IIIb in Fig. 3 veranschaulichten Betriebs verwendet werden kann.
Auf diese Weise schließt der in Fig. 2a gezeigte Primärwicklungsschaltkreis auch die Primärwicklung N&sub1; ein, die Diode D&sub1; und die Primärwicklung N&sub2; enthält, die den Schalter S&sub2;, wie in Fig. 2 gezeigt, enthält. Er umfaßt jedoch einen Zusatzschalter S&sub4;, der zu Beginn des Intervalls III (Fig. 3) geschlossen wird, damit die Schaltkreiswicklung N&sub1; gekürzt und dadurch die Überschußenergie im Transformator behalten wird, die während des Intervalls II nicht an die Last abgegeben wird.

Steuerschaltkreis 14 (Fign. 4-7)

Fig. 4 veranschaulicht den Steuerschaltkreis 14, der zur Steuerung der Schalter S&sub1;, S&sub2; und S&sub3; in den in Fig. 2 veranschaulichten Primär- und Sekundärwicklungsschaltkreisen verwendet wird sowie des abgeänderten Schalters S&sub4; in der abgeänderten Form des Primärwicklungsschaltkreises, der in Fig. 2a veranschaulicht ist, wenn diese Abänderung Verwendung findet. Die Fign. 5-7 veranschaulichen weitere Besonderheiten der verschiedenen Bestandteile, die im Steuerschaltkreis 14 verwendet werden.
Kurzum umfaßt der Steuerschaltkreis 14 einen Primärwicklungshilfsschaltkreis 20 (eingehender in Fig. 5 veranschaulicht), der Schalter S&sub1; im Primärwicklungsschaltkreis steuert; einen Sekundärwicklungshilfsschaltkreis 30 (eingehender in Fig. 6 veranschaulicht), der die Schalter S &sub2; und S &sub3; steuert; einen Flußpegel-Referenzgenerator 40 (eingehender in Fig. 7 veranschaulicht); und einen Referenzspannungsgenerator 50, der den Sekundärwicklungshilfsschaltkreis 30 steuert. Der Primärwicklungshilfsschaltkreis 20 erfaßt bewirkt, daß die im Transformator gespeicherte Energie erfaßt und Schalter S&sub1; geöffnet wird, wenn die gespeicherte Energie einen vorherbestimmten Wert, der durch den Flußpegel-Referenzgenerator festgelegt wird, erreicht; und der Sekundärwicklungshilfsschaltkreis 30 bewirkt, daß die Ausgabespannung im Sekundärwicklungsschaltkreis des Transformators erfaßt und der aktive Schalter S&sub2; oder S&sub3; geöffnet wird (von der Polarität der Ausgabe abhängig), sobald die Ausgabespannung einen vorherbestimmten Wert, der vom Referenz- Spannungsgenerator 50 festgelegt wird, erreicht.
Fig. 5 veranschaulicht eingehender den Primärwicklungshilfsschaltkreis 20. Er umfaßt einen Stromfühler 21 zur Stromerfassung durch Schalter S&sub1; im Primärwicklungsschaltkreis, und einen Komparator 22, der den zuletzt erfaßten Strom empfängt. Komparator 22 empfängt auch ein Signal vom Flußpegel- Referenzgenerator 40, der, wie vorstehend beschrieben, den vorherbestimmten Wert festlegt, der durch die gespeicherte Energie erreicht werden soll, sobald Schalter S&sub1; geöffnet wird, um das Energie-speichernde Intervall I zu beenden und das Energie-abgebende Intervall II zu starten. Komparator 22 vergleicht den von Fühler 21 erfaßten Strom und den vorherbestimmten Wert, der vom Flußpegel-Referenzgenerator 40 festgelegt wird, und betätigt ein Flip-Flop 23, um Schalter S&sub1; zu öffnen, wenn die beiden Werte gleich sind. So wird Flip-Flop 23 zu Beginn eines jeden Zyklus gesetzt, sobald Schalter S&sub1; geschlossen ist, und wird durch die Ausgabe des Komparators 22 zurückgesetzt, sobald die vom Komparator erfaßten Werte gleich sind, um den Schalter S&sub1; zu öffnen.
Fig. 6 veranschaulicht den Sekundärwicklungshilfsschaltkreis, der vom Kasten 30 und ebenfalls vom Referenzspannungsgenerator 50 in Fig. 4 dargestellt wird. Wie kurz vorstehend beschrieben, erfaßt dieser Sekundärwicklungshilfsschaltkreis die Ausgabespannung im Sekundärwicklungsschaltkreis des Transformators, und öffnet, wenn die Ausgabespannung einen vorherbestimmten Wert, der vom Referenzspannungsgenerator 50 festgelegt wird, erreicht, die aktive Sekundärwicklung, Schalter S&sub2;, S&sub3; (von der Polarität der Ausgabespannung abhängig), um dadurch das Energie-abgebende Intervall II zu beenden und das Intervall III zu starten, in dem die Überschußenergie mittels Diode D&sub1; und der Primärwicklung N1 (Fig. 2) zur Gleichstromversorgung zurückgeführt wird.
Der in Fig. 6 veranschaulichte Sekundärwicklungshilfsschaltkreis umfaßt einen Komparator 31, der mit einem Summierverstärker 32 verbunden ist, der eine erste Eingabe A aus dem Referenzspannungsgenerator 50 und eine zweite Eingabe B aus der Ausgabeseite 33 des aktiven Sekundärwicklungs-Schalters S&sub2; oder S&sub3; empfängt, um die Ausgabespannung des Wechselrichters zu erfassen.
Um sowohl die Stabilität des Wechselrichters als auch seine Nachlauffähigkeiten zu verbessern, umfaßt der Summierverstärker 32, der mit dem Komparator 31 verbunden ist, zwei weitere Eingaben, nämlich: eine dritte Eingabe C aus einem Korrektur-Offset-Signalgenerator 34, der den Ausgabestrom erfaßt und ein dazu proportionales Korrektur-Offset-Signal erzeugt; und eine vierte Eingabe D aus einem bidirektionalen Sägezahngenerator 35, der ein Signal erzeugt, dessen Größe und Zeichen eine Funktion des Ausgabestroms ist. Entsprechend wird der Summierverstärker 32 aus allen vorausgegangenen Eingaben ein Ausgabesignal (αA + βB + γC+ δD) erzeugen, das zum Komparator 31 geführt wird.
Folglich erzeugt Komparator 31 ein Ausgabesignal, sobald die Ausgabespannung aus dem Wechselrichter den vorherbestimmten Wert erreicht, der vom Referenzspannungsgenerator 50 festgelegt wird. Dieses Ausgabesignal wird an ein Flip-Flop 36 angelegt, das zu Beginn des Energie-abgebenden Intervalls II gesetzt und durch die Ausgabe aus dem Komparator 31 am Ende des Energieabgebenden Intervalls II zurückgesetzt wird. Sobald Intervall II beendet ist, beginnt das aufladende Intervall III, während dem die Gleichstromversorgung 2 durch die Überschußenergie aufgeladen wird, die während des Intervalls I im Transformator gespeichert und während des Intervalls II nicht an die Last abgegeben wird.
Der in Fig. 6 veranschaulichte Sekundärwicklungshilfsschaltkreis 30 umfaßt weiterhin einen Exklusiv-Oder-Schaltkreis 37, der als Gatter wirkt, um das Komparatorsignal gemäß des Quadranten der Ausgabespannung zu konvertieren (oder nicht zu konvertieren). Daraus folgt, daß es konvertiert wird, wenn die Ausgabespannung negativ ist; und daß es nicht konvertiert wird, wenn es positiv ist. Schaltkreis 37 könnte weggelassen werden, wenn die mittels seines Summierverstärkers 32 in den Komparator 31 eingegebenen Werte absolute Werte sind.
Wie vorhergehend erklärt, werden die Geschwindigkeit und Stabilität der Wechselrichtersteuerung durch das Vorhandensein eines Intervalls (nämlich Intervall III) erreicht, während dem Diode D&sub1; leitend ist. Intervall III ist eigentlich das Verbleibende des Zyklus - nach der Vollendung des Energiespeichernden Intervalls I und des Energie-abgebenden Intervalls II - während dem alle Schalter S&sub1;, S&sub2; und S&sub3; offen sind. Der Flußreferenz erzeugende Schaltkreis 40, der den Primärwicklungshilfsschaltkreis 20 (Fig. 4) steuert wird zu diesem Zweck verwendet.
Der Flußpegel-Referenzgenerator 40 umfaßt, wie in Fig. 7 veranschaulicht, einen Fühler 41, der den absoluten Wert der Ausgabespannung erfaßt, der als eine erste Eingabe A an einen Differentialverstärker 42 angelegt wird, der wie ein Differenzschaltkreis funktioniert. Der Differentialverstärker 42 schließt eine zweite Eingabe B aus dem Referenzspannungsgenerator 50 ein, die durch den Schaltkreis 43 in einen absoluten Wert konvertiert wird. Der letztere Schaltkreis subtrahiert die Eingabe B von der Eingabe A und erzeugt dadurch ein Ausgabesignal, das den Unterschied zwischen der erforderlichen Ausgabespannung und der tatsächlichen Ausgabespannung darstellt. Dieses Signal wird mittels Diode 45 einem Integrator 44 zugeführt, der das Flußpegel-Referenzsignal erhöht, das verwendet wird, um den Zeitpunkt des Öffnens von Schalter S&sub1; zu steuern, damit das Energie-speichernde Intervall I beendet wird.
Auf der anderen Seite wird dieses letztgenannte Referenzsignal gemäß einer exponentialen Abnahme während des Intervalls III, wenn alle Schalter S&sub1;, S&sub2; oder S&sub3; geöffnet sind, verringert. Das vom Integrator 44 ausgegebene Flußreferenzsignal wird mittels des Schalters 46 mit seinem Eingang gekoppelt, der während des Intervalls III durch den Steuerschaltkreis 14 geschlossen wird.
Auf diese Weise wird ersichtlich, daß der absolute Wert der Eingabe A kleiner als der von Eingabe B während des Energiespeichernden Intervalls I sein wird, wenn die vom Wechselrichter ausgegebene Energie zu niedrig ist; entsprechend wird die Spannung an der Ausgabe des Spannungsverstärkers 42 negativ sein, wodurch eine negative Eingabe zum Integrator 44 zugeführt wird. Wenn die Eingabe zum Integrator negativ ist, steigt seine Ausgabe positiv an. Das erhöht die Ausgabe des Flußreferenzsignals, das Schalter S&sub1; im Primarwicklungsschaltkreis für eine längere Zeit schließt, wodurch mehr Energie im Energiespeichernden Intervall I angesammelt wird. Die vorhergehende Anordnung korrigiert somit den Wechselrichterschaltkreis, wenn die Ausgabespannung zu niedrig ist, weil die im Transformator gespeicherte Energie zu niedrig ist.
Wenn die im Transformator gespeicherte Energie zu hoch ist, wird jedoch die Ausgabespannung des Wechselrichterschaltkreises nicht beeinflußt, da sie vom Komparator gesteuert wird. Intervall III wird jedoch zu lange andauern, da sich der Ausgabekondensator 16 (Fig. 2) schneller auf lädt, wenn die abgegebene Energie zu hoch ist. Die Ausgabe des Integrators 44 ist während des Intervalls III immer mit ihrer Eingabe verbunden, wobei eine exponentiale Abnahme hervorgerufen wird. Deshalb reduziert die exponentiale Abnahme das beim Ausgang 48 zur Steuerung des Primärwicklungs-Transformatorschalters S&sub1; ausgegebene Flußpegel-Referenzsignal bedeutend, wenn das Intervall III zu lange andauert.

Variationen in den Primär- und Sekundärwicklungsschaltkreisen (Fign. 2a, 8a-8c)

Die oben beschriebene Fig. 2a veranschaulicht eine Variation, die im Transformator-Primärwicklungsschaltkreis vorgenommen werden kann, wenn es nicht nötig ist, die Überschußenergie im Intervall III zum Aufladen der Energieversorgung zu verwenden. Fig. 8a veranschaulicht eine weitere Variation, die im Transformator-Primärwicklungsschaltkreis verwendet werden kann; und die Fign. 8b und 8c veranschaulichen Variationen, die am Transformator-Sekundärwicklungsschaltkreis vorgenommen werden können.
Auf diese Weise veranschaulicht Fig. 8a die Verwendung zweier Dioden D1a, Dlb und der zwei Schalter S1a, S1b im Transformator-Primärwicklungsschaltkreis, anstatt einer einzelnen Diode D&sub1; und eines einzelnen Schalters S&sub1;. Bei Normalbetrieb würden beide Schalter S1a, S1b zusammen geöffnet und geschlossen werden. Wenn es erwünscht ist, eine Wicklung im Primärwicklungsschaltkreis kurzzuschließen - wie vorhergehend unter Bezugnahme auf Fig. 2a beschrieben - um die Überschußenergie im Transformator zu sichern und nicht zum Aufladen der Energieversorgung zu verwenden, kann jedoch zu diesem Zweck einer der beiden Schalter (z.B. S1b) als Schalter S&sub4; in Fig. 2a Verwendung finden.
Fig. 8b veranschaulicht eine Variation, die am Transformator-Sekundärwicklungsschaltkreis vorgenommen werden kann, wobei der Sekundärwicklungsschaltkreis eine Brücke umfaßt, die vier Arme mit einem in eine Richtung wirkenden Schalter in jedem der vier Arme aufweist, anstatt zwei in eine Richtung wirkende Schalter S&sub2;, D&sub2; und S&sub3;, D&sub3; zu verwenden. So schließen zwei Arme die zwei Schalter S2a, S2b und ihre Dioden D2a, D2b ein, entsprechend Schalter S&sub2; und Diode D in Fig. 2; und die anderen zwei Arme schließen Schalter S3a , S3b und Dioden D3a, D3b ein, entsprechend Schalter S&sub3; und Diode D&sub3; in Fig. 2.
Fig. 8c veranschaulicht eine weitere Variation im Sekundärwicklungsschaltkreis, der zwei in eine Richtung wirkende Schalter umfaßt, die S&sub2;' und D&sub2;' in Reihe mit einer Sekundärwicklung und N&sub3;' beinhalten, und Schalter S&sub3;' und Diode D&sub3;' in Reihe mit der anderen Sekundärwicklung N&sub4;'.

Ununterbrechbare Energieversorgung (Fign. 9 und 10)

Der vorhergehend beschriebene Wechselrichter ist insbesondere für ununterbrechbare Energieversorgungen nützlich. Allein durch Hinzufügen einer Wicklung und eines Schalters, erübrigt sich somit für den Wechselrichter die Verwendung eines getrennten Ladegeräts, das in einer herkömmlichen ununterbrochenen Energieversorgung erforderlich ist. Fign. 9 und 10 veranschaulichen zwei Systeme, die zu diesem Zweck verwendet werden können.
Das in Fig. 9 veranschaulichte System ist ein System, bei dem sowohl Eingabe, Ausgabe als auch Batterie galvanisch voneinander und von der Leitung isoliert sind.
In Fig. 9 ist der vorhergehend beschriebene und in Fig. 2 insbesondere veranschaulichte Wechselrichter in einem Kasten 60 eingeschlossen, wobei die darin enthaltenen Elemente, die denen in Fig. 2 entsprechen, für ein besseres Verständnis mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Um dem Wechselrichter 60 zu ermöglichen, als ununterbrochene Energieversorgung verwendet zu werden, genügt es, einen weiteren Schalter S&sub5; und eine weitere Spule N&sub5; im Primärwicklungsschaltkreis des Transformators im Wechselrichter und reihengeschaltet zum Gleichrichter 62 des Energieversorgungsnetzes 64 hinzuzufügen.
Bei Normalbetrieb des Schaltkreises wird die Energie mittels des Ausgabekondensators 16 vom Energieversorgungsnetz 64, Gleichrichter 62 und Speicherkondensator 65 an die Last abgegeben. Während dieses Betriebs wird Schalter S&sub5; anstatt Schalter S&sub1; gesteuert. Daraus folgt, daß Schalter S&sub5; zu Beginn des Zyklus geschlossen wird, damit das Energie-speichernde Intervall I gestartet wird, und geöffnet wird, um das Intervall zu beenden und das Intervall II zu starten. Während dieses Normalbetriebs werden die aktiven Sekundärwicklungsschalter S&sub2; oder S&sub3; (gemäß der Polarität der gewünschten Ausgabespannung) wie vorhergehend beschrieben gesteuert, wobei der aktive Schalter geschlossen wird, um Intervall II zu starten, und geöffnet, um jenes Intervall zu beenden und Intervall III zu starten, während dem die nicht an die Last abgegebene Überschußenergie gebraucht werden kann, um die Gleichstromversorgung aufzuladen. Während des Intervalls III kann die Batterie 2 des Wechselrichters 60 mittels der Diode D&sub1; auf dieselbe Art und Weise, wie vorhergehend unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben, aufgeladen werden.
Sollte nun eine Unterbrechung im Energieversorgungsnetz 64 eintreten, wird jetzt die Batteriestromversorgung 2 verwendet, um die Last auf dieselbe Art und Weise zu versorgen wie vorhergehend unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben.
Fig. 10 veranschaulicht eine andere Anordnung, worin der mit 70 gekennzeichnete Wechselrichter in einer ununterbrochenen Energieversorgung Verwendung findet. Im in Fig. 10 veranschaulichten System wird die Batterie des Wechselrichters mittels seines Gleichrichters 72 galvanisch mit dem Energieversorgungsnetz 74 gekoppelt, so daß die Batterie fortwährend und steuerbar durch die nicht an die Last abgegebene und im Intervall III zur Batterie zurückgeführte Überschußenergie, wie oben beschrieben, aufgeladen wird.
Bei Normalbetrieb des Systems, sobald die Last mittels des Gleichrichters 72 vom Energieversorgungsnetz 74 versorgt wird, wird der Zusatzschalter S&sub5;, der dem Schalter S&sub5; in Fig. 9 entspricht, auf dieselbe Art und Weise wie vorhergehend unter Bezugnahme auf Schalter S&sub1; beschrieben gesteuert; daraus folgt, daß er zu Beginn eines jeden Zyklus geschlossen und am Ende des Energie-speichernden Intervalls I geöffnet wird. Während dieses Normalbetriebs wird der aktive Sekundärwicklungsschalter S&sub2; oder S&sub3; im Sekundärwicklungsschaltkreis auf dieselbe Art und Weise gesteuert wie vorhergehend unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben, wobei der aktive Schalter zu Beginn des Intervalls II geschlossen und am Ende jenes Intervalls und zu Beginn des Intervalls III, wenn die Überschußenergie zur Batterie zurückgeführt wird, wieder geöffnet wird.
Wenn das Energieversorgungsnetz 74 unterbrochen wird, werden jedoch die Schalter S1a und S1b jetzt zur Steuerung des Transformator-Primärwicklungsschaltkreises verwendet, wobei sie zu Beginn des Energie-speichernden Intervalls I geschlossen und am Ende jenes Intervalls und zu Beginn des Intervalls II auf dieselbe Art und Weise geöffnet werden wie vorhergehend unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben.
Wie ersichtlich, ist der Primärwicklungsschaltkreis des in Fig. 2 veranschaulichten Systems dem in Fig. 8a veranschaulichten ähnlich. Es ist jedoch schätzenswert, daß er auch eine andere wie die in Fig. 2 oder 2a veranschaulichte Bauweise aufweisen könnte.

Hilfsenergieversorgung / Standby-Energieversorgung (Fig. 11)

Der Vier-Quadrant-Betrieb des veranschaulichten Wechselrichters ist besonders in einer Hilfsenergieversorgung nützlich. Fig. 11 veranschaulicht eine solche Anordnung, worin der Wechselrichter, gekennzeichnet durch die Elemente im Kasten 80, im wesentlichen dieselbe Bauweise und Funktionsweise, wie vorhergehend beschrieben, aufweist, wobei er mit der Last parallel zum Energieversorgungsnetz 82 verbunden ist.
In der in Fig. 11 veranschaulichten Konfiguration ist der Wechselrichter durch ein Thyristor-Netzwerk 84 parallel mit dem Energieversorgungsnetz verbunden und arbeitet bei einer etwas geringeren Spannung als die Leitungsspannung, so daß die Batterie während des Systembetriebs kontinuierlich im zweiten und vierten Quadranten aufgeladen wird. Wenn das Energieversorgungsnetz 82 die benötigte Leitungsspannung nicht zuführt, hört jedoch das Thyristor-Netzwerk 84 zu leiten auf, wobei der Wechselrichter-Schaltkreis jetzt die Last mit der Energie versorgt, und solange damit fortfährt, bis normale Energie im Energieversorgungsnetz wiederhergestellt ist.

Modifizierter Steuerungsablauf (Fig. 12)

Das in Fig. 12 veranschaulichte Magnetflußdiagramm entspricht dem in Fig. 3 veranschaulichten Diagramm, mit der Ausnahme, daß in Fig. 3 die Anfangs- und Endpunkte des Intervalls (dort Intervall III), während dem Überschußenergie an die Strom-versorgung abgegeben wird, im Zyklus festgelegt sind; in Fig. 12 wird dieses Intervall (hierin als Intervall II bezeichnet) nicht für jeden Zyklus festgelegt, sondern eher 'fließen' gelassen. Das bedarf einer Anderung des Steuerungsablaufes, so daß der Zyklus in der Ausführungsform der vorliegenden Anwendung eher mit der Leitung im Sekundärwicklungsschaltkreis als im Primärwicklungsschaltkreis beginnt.
Insbesondere öffnet der Primärwicklungsschaltkreis in dem in Fig. 12 veranschaulichten Steuerungsablauf zu Beginn eines jeden Zyklus Schalter S&sub1; und schließt Schalter S&sub1; zu einem späteren Zeitpunkt im Zyklus, wenn, am Ende des Zyklus, die im Transformator gespeicherte Energie einen vorherbestimmten Wert erreichen würde; und der Sekundärwicklungshilfsschaltkreis schließt Schalter S&sub2; zu Beginn eines Zyklus und öffnet Schalter S&sub2;, sobald die Spannung an der Ausgabe des Sekundärwicklungsschaltkreises einen vorherbestimmten Wert erreicht. Auf diese Weise wird, wie in Fig. 12 gezeigt, ein erstes Intervall (Intervall I) durch das Öffnen des Schalters S&sub1; und das Schließen des aktiven Sekundärwicklungsschalters (S&sub2; oder S&sub3;) gestartet, während dem Energie im Transformator an die Last abgegeben wird; ein zweites Intervall (Intervall II) wird durch das Öffnen des aktiven Schalters S&sub2; oder S&sub3; gestartet, während dem Überschußenergie im Transformator zur Energieversorgung zurückgeführt wird; und ein drittes Intervall (Intervall III) wird durch das Schließen des Schalters S&sub1; gestartet, während dem Energie im Transformator gespeichert wird. Somit ist ersichtlich, daß die Überschußenergie während des Intervalls II an die Energieversorgung abgegeben wird, das durch das Öffnen des Schalters S&sub2; startet, wenn die Spannung an der Ausgabe der Sekundärwicklung einen vorherbestimmten Wert erreicht; und dieses Intervall endet durch das Schließen des Schalters S&sub1; zu dem Zeitpunkt im Zyklus, wenn, am Ende des Zyklus, die im Transformator gespeicherte Energie einen vorherbestimmten Wert erreichen würde. Der letztere Zeitpunkt ist somit ein "vorgegebener" Zeitpunkt, und die Schaltung wird, wie nachfolgend eingehender beschrieben, bereitgestellt, um jenen Zeitpunkt, an dem das Intervall II endet, vorzugeben.
Wie aus dem Diagramm von Fig. 12 ersichtlich, nimmt der Magnetfluß im Transformator ab, wie durch die hinuntersteigende Linie Ia gezeigt, da während des Intervalls I die im Transformator gespeicherte Energie an die Last abgegeben wird; wenn allerdings die Last eine Blindlast ist, wird dann die Energie in der Last dem Transformator zugeführt, wie durch die hinaufsteigende Linie Ib gezeigt.
Wenn die Überschußenergie im Transformator an die Energieversorgung abgegeben wird, wird Intervall II normalerweise durch die hinuntersteigende Linie IIa bzw. IIb angezeigt. Wenn die in Fig. 2a veranschaulichte Modifikation verwendet wird, die einen Schalter einschließt, der eine der Spulen kurzschließt, dann bleibt aber das Energieniveau im Transformator konstant, wie durch Linie IIc angezeigt.
Wenn die Energie zur Abgabe an die Last im Transformator gespeichert wird, wird Intervall III in Fig. 12 durch die hinaufsteigende Linie IIIa bzw. IIIb bzw. IIIc angezeigt.

Messung des Transformator-Maanetflusses (FIG. 13)

Fig. 13 veranschaulicht eine Form des im allgemeinen mit 100 gekennzeichneten Primärwicklungshilfsschaltkreises, die in Übereinstimmung mit dem durch das Diagramm der Fig. 12 veranschaulichten Ablauf zur Steuerung des Schalters S&sub1; im Primärwicklungsschaltkreis verwendet werden kann. Dieser Schaltkreis entspricht dem Schaltkreis 20 in Fig. 5, ist aber so gestaltet, daß er zu Beginn eines jeden Zyklus Schalter S&sub1; öffnet und an einem späteren Zeitpunkt im Zyklus den Schalter wieder schließt, sobald, am Ende des Zyklus, die im Transformator gespeicherte Energie einen vorherbestimmten Wert erreichen würde. Dieser Wert wird während eines jeden Zyklus durch einen im allgemeinen mit 102 gekennzeichneten Flußbedarfs-Schätzwertgenerator vorherbestimmt, der im Primärwicklungshilfsschaltkreis 100 eingeschlossen ist, und der eine Spannung erzeugt, die dem benötigten Fluß entspricht, um den Anforderungen der Last zu entsprechen. Die erzeugte Spannung entspricht vorzugsweise einem Referenzfluß, der von der Last abhängt, kann aber auch einem konstanten Referenzfluß entsprechen.
Insbesondere umfaßt Schaltkreis 100 in Fig. 13 eine "Verstärkerblock"-Einheit 104, die ein Verstärker oder Dämpfer mit veränderlichem Meßbereich sein kann, die an der Eingabespannung angelegt ist, wie durch die Verbindung 106 gezeigt, um eine Spannung zu erzeugen, die der Eingabespannung entspricht; und einen Sägezahngenerator 108, der ebenfalls mit der Eingabespannungsverbindung 106 verbunden ist, um eine weitere Spannung zu erzeugen, die auch von der Eingabespannung abhängt, sich aber mit der Zeit verändert. Die drei von den Einheiten 102, 104 und 108 erzeugten Spannungen werden in einen Summierschaltkreis 110 eingegeben, der die Ausgaben des Flußbedarfs-Schätzwertgenerators 102 und des Sägezahngenerators 108 addiert und die Ausgaben des Verstärkerblock-Schaltkreises 104 subtrahiert, um eine Spannung auszugeben, die an einen Eingang des Komparators 112 angelegt wird.
Der andere Eingang des Komparators 112 stammt aus einem Magnetfluß-Meßschaltkreis 114, der eine Spannung ausgibt, die dem Fluß im Transformator Tr entspricht. Komparator 112 steuert ein Flip-Flop 115, das seinerseits den Schalter S&sub1; in der Primärwicklung des Transformators Tr steuert.
Flip-Flop 115 wird zu Beginn eines jeden Zyklus zurückgesetzt, um Schalter S&sub1; zu öffnen und somit das Energiespeichernde Intervall I (Linie Ia oder Ib, Fig. 12) zu beenden, während dem der aktive Schalter oder (S&sub2; oder S&sub3;) im Sekundärwicklungsschaltkreis geschlossen wird, so daß die im Transformator gespeicherte Energie an die Last abgegeben wlrd. Schalter S&sub1; bleibt während des Intervalls II (Linie IIa, IIb oder IIc, Fig. 12), wenn die Überschußenergie an die Energieversorgung abgegeben wird, offen, schließt aber, um Intervall II an einem späteren Zeitpunkt im Zyklus zu beenden, wenn, am Ende des Zyklus, die im Transformator gespeicherte Energie einen vorherbestimmten Wert erreichen würde, wie durch Komparator 112 bestimmt wird, der Flip-Flop 115 steuert, um den Schalter S&sub1; wie vorhergehend beschrieben zu schließen. Das Schließen des Schalters S&sub1; beendet Intervall II und startet Intervall III, während dem Energie im Transformator gespeichert wird, wobei dieses Intervall am Ende des Zyklus beendet wird, sobald Schalter S&sub1; durch das Zurücksetzen des Flip-Flops 115 geöffnet wird.
So kann man sehen, daß der in Fig. 13 veranschaulichte Schaltkreis 100 gemäß der folgenden Annäherungsgleichung zum Schließen des Schalters S&sub1; arbeitet:
FLX = REF-FLUX -
wobei:
FLX der augenblickliche Fluß im Transformator ist;
REF-FLUX der Fluß ist, der am Ende des Zyklus erzeugt sein muß;
Vb die Quellenspannung an der Primärseite ist;
Np die Anzahl der Windungen der Primärwicklung ist;
T die Zeitdauer des Zyklus ist; und
t die augenblickliche Zeit ist.
Auf diese Weise addiert Summierschaltkreis 110 fortwährend den REF-FLUX aus dem Flußbedarfs-Schätzwertgenerator 102 und das Sägezahnsignal aus dem Sägezahngenerator 108 (dessen Ausgabe von der Quellenspannung abhängt und sich mit der Zeit verändert) und subtrahiert einen festgelegten Wert aus dem Verstärkerblock 104, der von der Quellenspannung abhängt; und fügt diese Summe einer Eingabe des Komparators 112 hinzu. Diese Summe wird kontinuierlich mit dem FLUX aus dem Flußmeßblock 114 verglichen; und zu dem Zeitpunkt, an dem der FlUX geringer als die Summe aus dem Summierschaltkreis 110 ist, wird Flip-Flop 115 gesetzt, um den Schalter S&sub1; in der Primärwicklung zu schließen, wodurch Intervall II, während dem Überschußenergie an die Energieversorgung abgegeben wird, beendet wird, und Intervall III, während dem Energie im Transformator gespeichert wird, gestartet wird. Schalter S&sub1; wird zu Beginn des nächsten Zyklus durch das Zurücksetzen des Flip-Flops 115 wieder geöffnet.

Flußmeßschaltkreis (Ficr. 14)

Mehrere Verfahren sind im allgemeinen bekannt, um den Magnetfluß im Kern eines Transformators zu messen. Die bekannten Verfahren werfen jedoch bei der praktischen Durchführung im beschriebenen System allgemein Schwierigkeiten auf.
Fig. 14 veranschaulicht ein Flußmeßsystem, das für Block 114 in Fig. 13 zum Messen des Magnetflusses im Transformator Tr verwendet werden kann. Dieses System basiert auf der Integration der gemessenen Spannung an eine der Wicklungen des Transformators und der konstanten Korrektur der Integrationskonstante während des Abschnitts eines jeden Zyklus, wenn Schalter S&sub1; geschlossen wird, indem die Integration der gemessenen Spannung unterbrochen und die Integration der Spannung einen Augenblick lang durch eine bekannte, mit dem Fluß in Beziehung stehende Variable ersetzt wird. In der beschriebenen bevorzugten Ausführungsform wird die Spannung an der Wicklung ND gemessen, die die Diode D&sub1; enthält; und die bekannte Variable, die mit dem Fluß in Beziehung steht und in dem Augenblick in der Integration ersetzt wird, ist der durch die Wicklung Np fließende Strom. Es ist jedoch schätzenswert, daß die Integration auf der an jeder Wicklung des Transformators gemessenen Spannung basieren kann, und daß die bekannte Variable, die in dem Augenblick im Integrationsvorgang zur Berichtigung der Integrationskonstante verwendet wird, eine weitere bekannte Variable sein kann, die mit dem Fluß zusammenhängt, wie beispielsweise Strom in einer anderen Wicklung.
Auf diese Weise umfaßt das in Fig. 14 veranschaulichte
Flußmeßsystem eine Hilfswicklung Nd im Schaltkreis, die die Diode D&sub1; einschließt, um die Spannung am Transformator zu messen, damit die Integration durchgeführt wird. Der Schaltkreis in Fig. 14 umfaßt weiterhin einen invertierenden allgemein mit 120 gekennzeichneten Integrator, der einen Verstärker 122, einen Kondensator 124 und einen Widerstand 126 beinhaltet, um die Spannung am Transformator, wie von der Wicklung Nd erfaßt, zu integrieren. Schaltkreis 120 umfaßt weiterhin die Widerstände 128 und 130 sowie einen Schalter Sx; Schalter Sx wird zusammen mit Schalter S&sub1; in der Primärwicklung geschlossen. Der in Fig. 14 veranschaulichte Schaltkreis umfaßt ferner einen Strommeßschaltkreis 132 zur Messung des Stroms in der Primärwicklung des Transformators Tr.
Es wird ersichtlich, daß die augenblickliche Ausgabespannung (Vout) des Integratorschaltkreises 120 durch folgende Gleichung gegeben wird:
VOUT = - 1/RC vdt+Coust = - Nd/RC FLUX + Const.
Sobald der Strom in die Primärwicklung zu fließen beginnt, wird Schalter Sx geschlossen und die Ausgabespannung gezwungen, proportional zum wirklichen Fluß zu sein. Folglich integriert der Integrationsschaltkreis 120 die gemessene Spannung in bezug auf die Zeit; wenn aber der Primärwicklungsschalter S&sub1; geschlossen wird, wird Schalter Sx ebenfalls geschlossen, um die Integrationskonstante zu berichtigen, indem die Integration der gemessenen Spannung unterbrochen wird und stattdessen die Ausgabe gezwungen wird, den Wirkstrom, d.h. die Ausgabe des Strommeßschaltkreises 132, zu erfassen.

Regelung des Energiepegels (Fig. 15)

Um die Verluste in den Starkstromleitungen zu vermindern, sollte der Fluß (Strompegel) so niedrig wie möglich gehalten werden. Diese Regelung kann mittels zweier Verfahren vorgenommen werden: eines besteht in der mathematischen Berechnung vom REF- FLUX; und das andere in der Verwendung eines Energie-abhängigen Rückkopplungssystems.
Fig. 15 veranschaulicht ein Energie-abhängiges Rückkopplungssystem, das auf einer mathematischen Berechnung basiert. Für den mathematischen Berechnungsansatz werden die folgenden drei Fälle unterschieden:
(1) nicht kontinuierlicher Fluß im Transformator;
(2) kontinuierlicher Fluß mit partieller Energieentladung während des entsprechenden Intervalls; und
(3) kontinuierlicher Fluß, der mit Fluß (und Energie)- Bewahrung während dieses Intervalls kombiniert ist.
Die mathematische Gleichung, die die Bedingungen des Falls (3) darstellt, ist:
REF-FLUX = ki
wobei:
V&sub1; die Spannung der Spannungsquelle ist;
V&sub0; die Ausgabespannung ist;
I&sub0; der Ausgabestrom ist;
Np die Anzahl der Drehungen der Primärwicklung ist;
Ns die Anzahl der Drehungen der Sekundärwicklung ist; und
REF-FLUX der berechnete Referenzfluß ist.
Fig. 15 veranschaulicht einen elektrischen Schaltkreis zum Messen des REF-FLUX entsprechend der oberen mathematischen Gleichung.
So umfaßt der Schaltkreis zwei Multiplikator- Teilerschaltkreise 140 und 142 und zwei Summierschaltkreise 144 und 146.
Der Ausdruck (k&sub1;I&sub0;) wird in den Multiplikatorschaltkreis 140 eingegeben und durch die Ausgabe aus dem Summierschaltkreis 144 multipliziert; der letztere Schaltkreis summiert das mit V&sub0; multiplizierte Np und das mit V&sub1; multiplizierte Ns. Das Produkt wird durch den Gesamtbetrag Ns mal Vi im Schaltkreis 140 geteilt, und die Ausgabe wird zum Summierschaltkreis 146 hinzugefügt.
Der Ausdruck (k&sub2;V&sub0;) wird mit Ns und Vi im Schaltkreis 142 multipliziert und durch die Ausgabe aus dem Summierschaltkreis 144 geteilt; und das Ergebnis wird zum Summierschaltkreis 146 ausgegeben. Auf diese Weise stellt die REF-FLUX-Ausgabe aus dem letzteren Schaltkreis die Summen der ausgaben der Multiplikator/Teiler-Schaltkreise 140, 142 dar.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf mehrere bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es schätzenswert, daß viele weitere Variationen, Modifikationen und Anwendungen der Erfindung vorgenommen werden können.
Wenn technische Merkmale in den Ansprüchen mit Bezugszeichen versehen sind, so sind diese Bezugszeichen lediglich zum besseren Verständnis der Ansprüche vorhanden. Dementsprechend stellen solche Bezugszeichen keine Einschränkungen des Umfangs solcher Elemente dar, die beispielsweise durch solche Bezugszeichen gekennzeichnet sind.

Claims

1. Wechselrichter zur Abgabe elektrischer Energie von einer Gleichstromversorgung (2) an eine Last (10), umfassend:

einen Transformator (4), der einen an der Gleichstromversorgung gekoppelten Primärwicklungsschaltkreis (6) und einen an die Last gekoppelten Sekundärwicklungsschaltkreis (8) umfaßt;

wobei der Primärwicklungsschaltkreis (6) einen ersten Schalter (S1) zum Unterbrechen der Gleichstromversorgung umfaßt, um die Speicherung von Energie im Transformator zu bewirken;

wobei der Sekundärwicklungsschaltkreis (8) mindestens einen zweiten in eine Richtung wirkenden Schalter (S2, D3) umfaßt, um eine Ausgabe mit einem Vorzeichen zu erzeugen, wenn er geschlossen ist;

wobei der Primärwicklungsschaltkreis weiterhin eine elektrische Vorrichtung (D1) umfaßt, die bewirkt, daß Energie zur Gleichstromversorgung zurückgeleitet wird, wenn der erste und zweite Schalter offen sind;

und einen Steuerschaltkreis (14), der den Betrieb des ersten und zweiten Schalters steuert; dadurch gekennzeichnet, daß

der Steuerschaltkreis (14) den Betrieb des ersten und zweiten Schalters getrennt und unabhängig steuert, um das gleichfrequentige Öffnen und Schließen zu bewirken, so daß während eines Intervalls in jedem Zyklus der Schalter im Primärwicklungsschaltkreis geschlossen wird, um eine gesteuerte Menge von Überschußenergie zu erzeugen, die im Transformator gespeichert wird, wobei während eines zweiten Intervalls der Schalter in der Sekundärwicklung geschlossen wird, um Energie an die Last zu liefern, und wobei während eines dritten Intervalls in jedem Zyklus beide Schalter im Primär- und Sekundärwicklungsschaltkreis offen sind und die im Transformator gespeicherte Überschußenergie zur Gleichstromversorgung zurückgeleitet wird, wodurch eine schnelle und stabile Steuerung erlaubt wird.

2. Der Wechselrichter nach Anspruch 1, wobei der Steuerschaltkreis (14) umfaßt:

einen Primärwicklungshilfsschaltkreis (20), der wirksam ist, um die im Transformator gespeicherte Energie zu erfassen und den ersten Schalter (S1) zu öffnen, wenn die gespeicherte Energie einen vorherbestimmten Wert erreicht;

und einen Sekundärwicklungshilfsschaltkreis (30), der wirksam ist, wenn der zweite Schalter (S2) geschlossen ist, um die Ausgabespannung im Sekundärwicklungsschaltkreis des Transformators zu erfassen und den geschlossenen zweiten Schalter zu öffnen, wenn die Ausgabespannung einen vorherbestimmten Wert erreicht.

3. Der Wechselrichter nach Anspruch 2, wobei der Transformator (4) ein Rücklauftransformator ist, in dem die Primär- und Sekundärwicklungsschaltkreise (6, 8) derartige Polaritäten aufweisen, daß im Sekundärwicklungsschaltkreis (8) Stromfluß besteht, wenn kein Strom in den Primärwicklungsschaltkreis (6) fließt, und kein Strom in den Sekundärwicklungsschaltkreis (8) fließt, wenn Stromfluß im Primärwicklungsschaltkreis (6) besteht; und wobei der Sekundärwicklungsschaltkreis (8) auch einen dritten in eine Richtung wirkenden Schalter (S&sub3;) umfaßt, der in Bezug auf den zweiten Schalter) in entgegengesetzter Richtung gepolt ist, und der derart ausgebildet ist, daß, wenn er im Sekundärwicklungsschaltkreis anstatt des zweiten Schalters der aktive Schalter ist und sich im geschlossenen Zustand befindet, eine Ausgabe mit einem entgegengesetzten Zeichen in Bezug auf den zweiten Schalter erzeugt wird.

4. Der Wechselrichter nach Anspruch 2, wobei:

der Primärwicklungshilfsschaltkreis (20) den ersten Schalter (S1) am Anfang des Zyklus schließt, um ein erstes Intervall zu starten, und den ersten Schalter (S1) öffnet, wenn die gespeicherte Energie einen vorherbestimmten Wert erreicht, um das erste Intervall zu beenden und das zweite Intervall zu starten;

der Sekundärwicklungshilfsschaltkreis (30) beim Starten des zweiten Intervalls den zweiten Schalter (S2) schließt und den zweiten Schalter (S2) öffnet, wenn die ausgabespannung im Sekundärwicklungsschaltkreis einen vorherbestimmten Wert erreicht, um das zweite Intervall zu beenden und um das dritte Intervall zu starten, wobei währenddessen der erste und zweite Schalter offen sind, wobei das dritte Intervall durch Schließen des ersten Schalters am Ende des Zyklus und durch Starten des ersten Intervalls des nächsten Zyklus endet.

5. Der Wechselrichter nach Anspruch 2, wobei der Primärwicklungshilfsschaltkreis (20) umfaßt:

einen Flußpegel-Referenzgenerator (40), um den vorherbestimmten Wert gespeicherter Energie festzulegen;

einen Stromfühler (21), um den Strom durch den ersten Schalter im Primärwicklungsschaltkreis zu erfassen;

einen Komparator (22), um den letztgenannten erfaßten Strom mit dem vorherbestimmten, durch den Flußpegel- Referenzgenerator festgelegten Wert zu vergleichen;

und eine Schalterbetätigungsvorrichtung (23), um den ersten Schalter im Primärwicklungsschaltkreis zu öffnen, wenn die zwei durch den Komparator verglichenen Werte gleich sind.

6. Der Wechselrichter nach Anspruch 2, wobei:

der Primärwicklungshilfsschaltkreis (20) zu Beginn eines jeden Zyklus den ersten Schalter (S1) öffnet und zu einem nachfolgenden Zeitpunkt im Zyklus den ersten Schalter (S1) schließt, wenn, am Ende des entsprechenden Zyklus, die im Transformator gespeicherte Energie einen vorherbestimmten Wert erreichen würde; und

der Sekundärwicklungshilfsschaltkreis (30) zu Beginn des entsprechenden Zyklus den zweiten Schalter (S2) schließt und den zweiten Schalter (S2) öffnet, wenn die Spannung am Ausgang des Sekundärwicklungsschaltkreises einen vorherbestimmten Wert erreicht;

so daß das erste Intervall durch das Öffnen des ersten Schalters (S1) und Schließen des zweiten Schalters (S2) gestartet wird, währenddessen die Energie im Transformator zur Last zugeführt wird; wobei das zweite Intervall durch das Öffnen des zweiten Schalters (S2) gestartet wird, währenddessen die Überschußenergie im Transformator zur Energieversorgung zurückgeleitet wird; und wobei das dritte Intervall durch das Schließen des ersten Schalters (S1) gestartet wird, währenddessen im Transformator Energie gespeichert wird.

7. Der Wechselrichter nach Anspruch 6, wobei der nachfolgende Zeitpunkt im Zyklus, wenn der erste Schalter (S1) geschlossen ist, durch eine Schaltung bestimmt wird&sub1; umfassend:

eine erste Vorrichtung (102) zum Erzeugen eines ersten Wertes, der einem Referenzfluß entspricht;

eine zweite Vorrichtung (104) zum Erzeugen eines zweiten Wertes, der der Eingabespannung entspricht;

eine dritte Vorrichtung (108) zum Erzeugen eines dritten Wertes, der der Eingabespannung entspricht, der sich aber mit der Zeit verändert;

eine vierte Vorrichtung (110) zum Erzeugen eines vierten Wertes, der gleich dem ersten Wert und dem zweiten Wert ist, minus dem dritten Wert;

einen Magnetfluß-Meßschaltkreis (114) zum Erzeugen eines fünften Wertes, der dem Magnetfluß im Transformator entspricht;

und einen Komparator (112) zum Schließen des ersten Schalters, wenn der fünfte Wert niedriger als der vierte Wert ist.

8. Der Wechselrichter nach Anspruch 7, wobei:

die erste Vorrichtung ein erster Spannungsgenerator (102) ist, der als Flußbedarfs-Schätzwertgenerator dient, um eine erste Spannung zu erzeugen, die einem Referenzfluß entspricht;

die zweite Vorrichtung ein zweiter Spannungsgenerator (104) ist, der eine zweite Spannung erzeugt, die der Spannung an der Primärwicklung entspricht;

die dritte Vorrichtung ein Sägezahn-Signalgenerator (108) ist, der eine dritte, sich mit der Zeit verändernde Spannung erzeugt und eine Amplitude aufweist, die sich mit der Spannung an der Primärwicklung verändert;

die vierte Vorrichtung ein Summierschaltkreis (110) zum Summieren der oben erzeugten Spannungen ist;

und die fünfte Vorrichtung ein Magnetfluß-Meßschaltkreis (114) ist, der den Magnetfluß im Transformator mißt und eine dazu entsprechende Spannung erzeugt;

wobei der Komparator dafür ausgebildet ist, um die Spannung des Magnetfluß-Meßschaltkreises mit den vom Summierschaltkreis summierten Spannungswerten zu vergleichen und um den ersten Schalter im Primärschaltkreis zu schließen, wenn die Spannung des Magnetfluß-Meßschaltkreises geringer als die vom Summierschaltkreis summierten Spannungswerte ist.

9. Der Wechselrichter nach beiden Ansprüchen 7 und 8, wobei der Magnetfluß-Meßschaltkreis (114) umfaßt:

eine Spannungsmeßvorrichtung (Nd, Fig. 14) zum Messen der Spannung an einer Wicklung des Transformators;

eine Integriervorrichtung (120) zum Integrieren der zuletzt gemessenen Spannung in Bezug auf die Zeit;

eine Korrekturvorrichtung (132), die während eines Abschnitts eines jeden Zyklus die Integrationskonstante berichtigt, wenn der erste Schalter geschlossen ist, indem die Integration der gemessenen Spannung durch die Integriervorrichtung unterbrochen wird.

10. Der Wechselrichter nach Anspruch 9, wobei die Korrekturvorrichtung eine Strommeßschaltung (132) zum Messen eines Stromflusses durch eine der Wicklungen umfaßt, wobei der gemessene Stromfluß als die bekannte Variable verwendet wird.