NL8601798A - Energieomzetter. - Google Patents

Description

<

Energieomzetter.

De uitvinding heeft betrekking op een energieomzetter, waarbij energie van een bron, onder gebruikmaking van een, van ten minste twee thyristoren, antiparallel daaraan geschakelde 5 dioden en een hoogfrequente uitgangstransformator voorziene serie" resonante brugschakeling en een energiebuffer, aan een belasting wordt toegevoerd, waarbij voorts een stuurschakeling aanwezig is welke, reagerend op de aan de buffer toegevoerde en op de aan de buffer onttrokken energie, stuurimpulsen genereert, waarmede de 10 respectievelijke thyristoren ‘in de geleidende toestand worden gebracht, welke stuurschakeling verder diodestroomdetectoren omvat om de aanwezigheid van stroom door de genoemde dioden indicerende signalen af te geven, alsmede regelmiddeten, welke afhankelijk van de vastgestelde aanwezigheid van stroom door die diode, 15 die antiparallel is geschakeld aan de laatst en direct voor deze diode in geleiding geweest zijnde thyristor, de stuurimpuls door" laat voor de andere, deel van de brugschakeling uitmakende thyristor.

Dergelijke energieomzetters zijn reeds lang bekend en dienen om de energie van een enkel- of meerfase A.C. bron of van 20 een D.C. bron om te zetten in energie met een enkel- of meerfase A.C. spanning van een andere amplitude en/of frequentie, met een pulsvormig verlopende spanning of met een D.C. spanning.

Zijn de desbetreffende zich in de brugschakeling bevindende thyristoren in de geleidende toestand, dan wordt energie vanuit de 25 bron via de serie-resonante kring aan een energiebuffer toegevoerd en wordt door de belasting energie aan deze buffer onttrokken.

In de tijd tussen het in de geleidende toestand verkeren van de desbetreffende thyristoren kan de aan de buffer toegevoerde energie zowel via de serie-resonante kring aan de bron terug worden gegeven, 30 atswel door de belasting worden afgenomen. De instelling van de energiebalans wordt bepaald door de tijdstippen waarop de zich in de brugschakeling bevindende thyristoren in de geleidende toestand worden gebracht.

.§'$£17 98 * **· 2

Een energieomzetter als in de aanhef omschreven is bij-voorbeeld bekend uit "IEEE Transactions on Industrial Electronics and Control Instrumentation", vol. IECI-23, no. 2, mei 1976, biz. 142-150. De in dit artikel beschreven energieomzetter is 5 voorzien van een stuurschakeling, welke, reagerend op de stroom in de serie-resonante brugschakeling en op een aan de uitgangs-spanning van de uitgangstransformator ontleende spanning, stuur-impulsen afgeeft, waarmede de respectievelijke thyristoren in de geleidende toestand worden gebracht. Het kan echter voorkomen dat 10 een thyristor van de brugschakeling langer dan bedoeld blijft geleiden terwijl een daarmede in serie geschakelde thyristor reeds in de geleidende toestand zou moeten worden gebracht. Zou dit laatste gebeuren, dan betekent dit een kortsluiting in de brugschakeling.

Om genoemde kortsluiting te voorkomen zou een vrij lange tijd moeten 15 worden gewacht voordat de laatstgenoemde thyristor in geleiding zou kunnen worden gebracht. Dit laatste heeft tot gevolg dat een grote rimpel ontstaat op het uitgangssignaal van de energieomzetter.

Overeenkomstig het Europees octrooi 0 071 285 wordt een dergelijk nadeel bij een volle brugschakeling opgelost doordat de 20 energieomzeter een tweetal antiparallel geschakelde, in serie met de brugschakeling opgenomen thyristoren bevat, welke bewerkstelligen dat in de rusttijd, welke optreedt als de energieomzetter in de trigger modus werkzaam is, geen stroom in de brugschakeling loopt. Dit garandeert in eerste instantie dat een in de serie-25 resonante kring opgenomen condensator, na energielevering aan de belasting niet verder wordt ontladen. Dit heeft uiteindelijk tot gevolg, dat de diode, die antiparallel is geschakeld aan de laatst geleidende thyristor, onmiddellijk nadat deze thyristor wordt gesperd, stroom gaat trekken.

30 Bovengenoemde oplossing heeft echter als nadeel, dat twee extra controlecircuits nodig zijn ten behoeve van het sturen en doven van de twee antiparallel geschakelde thyristoren.

3501793 ^ i.

3

Bovendien moeten de twee antiparallel geschakelde thyristoren van het symmetrische type zijn omdat de spanning over de thyristoren bij het schakelen van het brugcircuit van polariteit verandert terwijl de amplitude gelijk blijft. Dit heeft tot gevolg 5 dat er een relatief hoge spanning over de twee antiparallel geschakelde thyristoren staat indien één van de twee zich in de geleidende toestand bevindt. Hierdoor zal het rendement van het brugcircuit afnemen. Het rendementsverlies heeft bovendien tot gevolg dat het brugcircuit, in verband met de grote warmteont-10 wikkeling in een grotere ruimte opgenomen moet worden.

Ten gevolge van de stroom in de serie-resonante kring tijdens de zgn. rusttijd van deze kring kan het gebeuren dat de thyristoren niet op het juiste moment doven. Om dit te voorkomen zijn extra maatregelen noodzakelijk, zoals omschreven in genoemd 15 Europees octrooi 0 071 285.

De onderhavige uitvinding heeft als doel genoemde nadelen op te heffen.

Overeenkomstig de uitvinding omvat de genoemde energie· omzetter, om te garanderen dat de diode die antiparallel is 20 geschakeld aan de laatst geleidende thyristor onmiddellijk nadat deze thyristor wordt gesperd stroom gaat trekken, schakel-middelen, welke zijn opgenomen in tenminste één van de toevoer-leidingen van de voedingsbron naar het serieresonante circuit, en bewerkstelligen dat in de rusttijd, welke optreedt als de energie-25 omzetter in de trigger modus werkzaam is, geen stroom in de brugschakeling loopt.

3601798 4

De uitvinding zal nu nader worden toegelicht aan de hand van de bijgaande figuren, waarvan:

Fig. 1 een uitvoeringsvoorbeeld van de energieomzetter overeenkomstig de uitvinding laat zien; 5 Fig. 2A, 2B, 3A, 3B, 4A en 4B diagrammen tonen aan de hand waarvan de werking van de in fig. 1 afgebeelde energie-omzetter zal worden geïllustreerd.

In het uitvoeringsvoorbeeld beschreven in fig. 1 is gebruik gemaakt van een zgn. volle brugschakeling.

10 De in fig. 1 afgebeelde energieomzetter omvat een serie- resonante brugschakeling 1, een energiebuffer 2 en een stuur-schakeling 3. Via de brugschakeling 1 en de buffer 2 wordt energie van een bron 4 toegevoerd aan een belasting 5. De serie-resonante brugschakeling 1 is voorzien van een viertal thyristoren 6A, 6B, 15 7A en 7B (en derhalve een volle brugschakeling), antiparallel daaraan geschakelde dioden 8A, 8B, 9A en 9B, een spoel 10, een condensator 11, een hoogfrequente uitgangstransformator 12 en een viertal gelijkrichtdioden 13 tot en met 16. De werking /an een dergelijke serieresonante brugschakeling is bekend en beschreven in 20 "IEEE Transactions on Industrial Electronics and Control

Instrumentation", vol. IECI-17, no. 3, Mei 1970, blz. 209-221 en vol. IECI-23, no. 2, Mei 1976, blz. 142-149 en in het Amerikaanse octrooischrift 3,953,779.

8801798 5

In fig. 2A en 2B is het verloop van de stroom i door de spoel 10, resp. de spanning Ej. over de punten P en Q weergegeven. In de fase A (thyristorfase) bevinden de thyristoren 6A en 7B zich in de geleidende toestand. De stroom i^ neemt in eerste instantie 5 toe en doet de spanning Ec stijgen, waarna de stroom i weer afneemt tot nul; de spanning E^ gaat daarbij naar zijn topwaarde. Zodra de stroom i tot nul is afgenomen, houden de thyristoren 6A en 7B op te geleiden en gaat een tegengestelde door de dioden 8A en 9B lopen. In de atsdan ingegane fase B (diodefase) neemt als 10 gevolg van deze diodestroom de spanning E^ een weinig af. Is de diodestroom uiteindelijk nul geworden, dan blijft de spanning Ec constant totdat de thyristoren 6B en 7A in de geleidende toestand worden gebracht. In de thyristorfase C en de daarop volgende diodefase D loopt de stroom i gelijk, doch tegengesteld aan die in 15 de fase A, resp. B en heeft ook de spanning Ec een verloop dat gelijk doch tegengesteld is aan dat in de fasen "A en B.,

In fig. 3A en 3B is het verloop van de stroom iL door de spoel 10, resp. de spanning Ec weergegeven voor het geval de thyristoren reeds in de diodefasen in de geleidende toestand worden gebracht; 20 men spreekt in dit geval over de "ingesneden-modus”. De in fig. 2A en 2B afgebeelde situatie wordt als "trigger-modus" aangeduid.

In de fasen A en C wordt energie vanuit de bron 4 toegevoerd aan de energiebuffer 2 en door de belasting 5 aan deze buffer onttrokken; in de fasen B en D wordt van de aan de buffer 2 25 toegevoerde energie een deel via de serieresonante kring aan de bron teruggegeven en een deel door de belasting 5 afgenomen.

Door een juiste instelling van de ontsteekmomenten van de thyristoren 6A resp. 7B en 6B resp. 7A kan, afhankelijk van de aan de serieresonante kring toegevoerde energie en van de aan de buffer ont-30 trokken energie, een evenwichtssituatie worden gecreëerd, waarbij de hoeveelheid energie op de buffer 2 constant wordt gehouden.

Hierbij is de grootte van de spanning over de primaire wikkeling van de uitgangstransformator 12 dan ook constant en wordt de 860 1 7':: 6 V * resonantiefrequentie van de kring bepaald door het produkt LC, waarbij L de zelfinductie van de spoel 10 en C de capaciteit van de condensator 11 voorstelt.

De instelling van de energiebalans wordt gerealiseerd in 5 de stuurschakeling 3. De stuurschakeling omvat een meetcircuit 17 voor de ingangsspanning van de serieresonante kring, een meet" circuit 18 voor de spanning over de buffer 2 en een regeleenheid 19 om, afhankelijk van de uitgangssignalen van de meetcircuits 17 en 18, op de geëigende tijdstippen de stuurimpulsen voor de thyristoren 10 óA resp. 7B en óB resp. 7A te genereren. Om kortsluiting in de serieresonante kring te voorkomen, mag de stuurimpuls voor de thyristoren 6A resp. 7B slechts worden afgegeven als de thyristoren 6B resp. 7A gesperd zijn en mag omgekeerd de stuurimpuls voor de thyristoren 6B resp. 7A slechts worden afgegeven als de thyristoren 15 6A resp. 7B gesperd zijn. De thyristoren 6A resp. 7B en 6B resp. 7A zijn gesperd als de dioden 8A, 9B resp. 8B, 9A in geleiding komen.

Om dit te constateren omvat de stuurschakeling 3 nog een viertal diodestroomdetectoren 20, 21, 22 en 23; deze geven, de aanwezigheid van stroom door de dioden 8A, resp. 8B, 9A en 9B indicèrende signalen 20 af. De regeleenheid 19 omvat schakelmiddelen, welke, reagerend op laatstgenoemde signalen, de stuurimpulsen voor de thyristoren doorlaten..

In de trigger-modus is in het algemeen tussen het moment waarop de ene diode ophoudt te geleiden en dat waarop de 25 thyristor die antiparallel is geschakeld aan de andere diode in de geleidende toestand wordt gebracht een rusttijd. In fig. 2A is deze rusttijd tussen de fasen B en C en tussen de fasen D en A aangegeven met T . In de rusttijd T_ zal de uitslingering van de spanning E^. door de primaire wikkeling van de uitgangstransfor-30 mator 12, de spoel 10 en, afhankelijk van de waarde van E^, door één van de dioden 8A, 8B, 9A en 9B optreden. Bij een zelfinductie L van de primaire wikkeling van de uitgangstransformator, die veel groter is dan de zelfinductie L van de spoel 10, heeft de serieresonante kring een resonantiefrequentie die wordt bepaald door het Q&(\ i 7 ft 3 é Ö v l / & v · ^ v 7 produkt LpC. In fig. 4A is het verloop van de stroom in de serie- resonante kring in de fasen A, B en C en de rusttijd T afgedeeld.

R

De stroom in de rusttijd T bewerkstelligt een daling van de spanning E^,. In fig. 4B is aangegeven hoe deze spanning op het 5 moment dat de fase C begint is gedaald van de waarde E„ naar E.

N L

en op het moment dat de fase C is beëindigd is gestegen van de waarde ER naar de waarde E^. Door de spanningsval over de punten P en Q gedurende de rusttijd Tö kan de spanning E_ na de fase C een zodanige waarde aannemen dat de diode, die antiparallel is ge-10 schakeld aan de in de fase C geleidende thyristor, gesperd blijft.

M.a.w., nadat één der thyristoren heeft opgehouden te geleiden, kan het voorkomen, dat de antiparallel daaraan geschakelde diode toch niet gaat geleiden en daarmede de afgifte van de stuurimpuls . voor de volgende thyristor blokkeert;de uitgangsspanning daalt 15 daardoor beneden de ingestelde waarde, hetgeen een grote rimpel op de uitgangsspanning veroorzaakt.

Ten einde dit effekt te voorkomen omvat de energie-omzetter middelen om te garanderen, dat de diode, die antiparallel is geschakeld aan de laatst geleidende thyristor, onmiddellijk 20 nadat deze thyristor wordt gesperd, stroom gaat trekken. In de in fig. 1 afgebeelde uitvoeringsvorm worden deze middelen gevormd door de FET 24, die wordt getriggerd bij het begin van de fasen B en D, de zgn. diodefasen, en een antiparallel geschakelde diode 25. Laatstgenoemde diode is niet strikt noodzakelijk, omdat een 25 (HOS)"FET van nature een diode omvat. Het opnemen van een diode 25 heeft echter als voordeel dat bij een eventuele kortsluiting in het brugcircuit de FET 24 niet wordt beschadigd.

De FET 24 dooft aan het einde van de laatstgenoemde fasen B en D.

De FET 24 bewerkstelligt dat in de rusttijd T^ geen stroom in 30 de brugschakeling loopt zodat aan het einde van de fasen A en C de spanning E^ gelijk is aan E^, zie fig. 4B. Dit laatste heeft tot gevolg dat de dioden die antiparallel geschakeld zijn aan de 360 1 79 8 * > 8 laatst geleidende thyristoren, onmiddellijk nadat deze thyristoren gesperd zijn, stroom gaan trekken. Omgekeerd zijn er geen trigger-pulsen nodig in de fasen A en C omdat in deze fasen de diode 25, of de van nature in de FET 24 aanwezige diode, vanzelf in geleiding 5 komt. Dit heeft tot gevolg dat de regeleenheid 19 eenvoudiger en compacter uitgevoerd kan worden, wat tevens een kostenbesparing met zich meebrengt.

Tevens ontstaat, ten opzichte van het opnemen van twee antiparallel geschakelde thyristoren in het brugcircuit, het 10 voordeel dat in de fasen A en C alleen de aan de FET 24 antiparallel geschakelde diode 25 geleidt: de spanningsval over een geleidende diode bedraagt immers ongeveer 1 volt, terwijl de spanningsval over de antiparallel geschakelde thyristoren ongeveer 3 volt bedraagt. Hierdoor wordt het rendement in de fasen A en C aanzienlijk ver-15 beterd. De reductie van het vermogensverlies heeft tevens tot gevolg dat een ruimte-, gewichts-, en kostenbesparing gerealiseerd kan worden. Indien de FET 24 gedurende de fasen B en D in geleiding komt is het vermogensverlies bij het toepassen van de genoemde FET ongeveer een factor drie kleiner dan het vermogensverlies dat 20 op zou treden indien één van beide antiparallel geschakelde thyristoren in geleiding zou komen. Dit houdt in dat eveneens een rende-mentsverbetering in de fasen B en D aanwezig is. Bovendien is er, in tegenstelling tot wat bij twee antiparallel geschakelde thyristoren het geval is, geen doofschakeling noodzakelijk, zodat hiermede 25 eveneens een kostenbesparing gerealiseerd kan worden.

Tenslotte wordt opgemerkt, dat voor de schakelmiddelen eveneens een transistor met een hieraan antiparallel geschakelde diode of een thyristor met een hieraan antiparallel geschakelde diode aangewend kunnen worden.

P * -- - ^

Claims (5)

1. Energieomzetter, waarbij energie van een bron, onder, gebruikmaking van een, van ten minste twee thyristoren (6A, 7A, 6B, 7B), antiparallel daaraan geschakelde dioden (SA, 9A, 8B, 9B) 5 en een hoogfrequente uitgangstransformator (12) voorziene serie-resonante brugschakeling en een energiebuffer (2), aan een belasting (5) wordt toegevoerd, waarbij voorts een stuurschakeling (3) aanwezig is, welke, reagerend op de aan de buffer (2) toegevoerde en op de aan de buffer (2) onttrokken energie, stuurimputsen 10 genereert, waarmede de respectievelijke thyristoren (6A, 7A, 6B, 7B) in de geleidende toestand worden gebracht, welke stuurschakeling (3) verder diodestroomdetectoren (21, 22) omvat om, de aanwezigheid van stroom door de genoemde dioden (8A, 9A, SB, 9B) indicerende signalen af te geven, alsmede regelmiddelen, welke afhankelijk 15 van de vastgestelde aanwezigheid van stroom door die diode (8A, 9A, 8B, 9B), die antiparallel is geschakeld aan de laatst en direct voor de2e diode (8A, 9A, 8B, 9B) in geleiding geweest zijnde thyristoren 06A, 7A, 6B, 7B), de stuurimpuls doorlaat voor de andere thyristor (6A, 7A, 6B, 7B), met het kenmerk, dat de genoemde 20 energieomzetter, om te garanderen dat de diode (8A, 9A, 8B, 9B), die antiparallel is geschakeld aan de laatst geleidende thyristor (6A, 7A, 6B, 7B), onmiddellijk nadat deze thyristor (6A, 7A, 6B, 7B) wordt gesperd, stroom gaat trekken, schakelmiddelen omvat, welke zijn opgenomen in tenminste één van de toevoerleidingen van de voedings-25 bron naar het serieresonante circuit, en bewerkstelligen dat in de rusttijd, welke optreedt als de energieomzetter in de trigger-modus werkzaam is, geen stroom in de brugschakeling loopt.

2. Energieomzetter volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de schakelmiddelen bestaan uit een FET en een hieraan antiparallel 30 geschakelde diode welke in één van de genoemde toevoer leidingen zijn opgenomen. 8601738

3. Energieomzetter volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de schakelmiddelen bestaan uit een MOSFET welke in één van de genoemde toevoerleidingen is opgenomen.

4. Energieomzetter volgens conclusie 1, met het kenmerk, 5 dat de schakelmiddelen bestaan uit een transistor en een hieraan antiparallel geschakelde diode welke in één van de genoemde toevoerleidingen zijn opgenomen.

5. Energieomzetter volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de schakelmiddelen bestaan uit een thyristor en een hieraan 10 antiparallel geschakelde diode welke in één van de genoemde toevoerleidingen zijn opgenomen. 8801798