NO172826B - Symmetrisk, elektrisk korrigeringskrets - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en symmetrisk, elektrisk korrigeringskrets for å beskytte minst to seriekoblede bryterelementer, av hvilke endene som ikke er tilkoblet hverandre danner en henholdsvis positiv og en negativ terminal for tilkobling, via minst en spole, av en likespenning, minst et første element som har diodefunksjon koblet i sperreretning og en seriekrets av minst en kondensator og minst et andre element (D^;D2) som har diodefunksjon koblet i lederetningen relativt terminalene for likespenningen som er koblet parallelt med hvert av de respektive bryterelementer, idet minst en kondensator i hver seriekrets er koblet til det innbyrdes forbindelsespunktet for bryterelementene, og midler for å utlade energien som er lagret i kondensatorene er tilveiebragt.

En symmetrisk elektrisk korrigeringskrets av denne type er kjent fra tysk patentsøknad DE-A1-3521983.

I denne kjente korrigeringskrets som er av en såkalt direkte eller bryterkorrigeringstypen, vil de respektive kondensatorer begrense spenningsøkningen (dv/dt) over bryterelementene under frakobling, dvs. overgangen til hvilken de blir ikke-ledende, og spolen resulterer i en begrensning av strømøkningen (di/dt) gjennom bryterelementene under innkobling, dvs. overgangen til hvilken de blir ledende. Det første elementet, koblet anti-parallelt til hvert bryterelement og som har diodeegenskap, oppfyller "friløpsdiode" funksjonen under induktiv belastning og i bryterelementer slik som styreelektrode frakobling (GTO = gate turn off) tyristorer samtidig hindrer passasje av strøm i den ikke-tillatte retning.

Foruten denne direkte eller bryterkorrigering, omhandler tysk patentsøknad DE-A1- 2639589 dessuten prinsippet for indirekte eller lastkorrigering. Ved dette blir seriekretsen for minst en kondensator og minst det ene andre elementet som har diodefunksjon koblet parallelt med lasten, i motsetning til bryterkorrigeringen. Den i det minste ene spolen for å begrense strømøkningen er plassert i denne oppstilling i tilførselsledningen mellom seriekretsen og lasten.

Avhengig av strø-induktansen som uunngåelig er tilstede i tilførselen og i forbindelsene i kretsen, strø-selvinduktansen for de elektroniske komponenter i kretsen og takten av strømendring under frakobling av et bryterelement, opptrer en spenningsoversving i likespenningen fra tilførselen og en spenningstopp over selve bryterelementet.

Strøinduktansen fra tilførselen og forbindelsesledningene derfra til bryterelementene kan forestilles erstattet av en ekvivalent strøinduktans i tilførselskretsen. Ved bryter-korrigering vil denne ekvivalente strøinduktans påvirke spenningsoversvinget, mens i tilfellet av lastkorrigering vil den hovedsakelig bestemme spenningstoppen over selve bryterelementene. Strø-selvinduktansen i seriekretsen av den ene kondensatoren og det ene andre elementet som har diodefunksjon, samt strøinduktanten for deres tilkoblings-linjer bestemmer i motsetning, i tilfellet av bryter-korrigering, spenningstoppen over det tilhørende bryterelementet og ved lastkorrigering, bestemmer den spenningsoversvinget for tilførselsspenningen. Den energi som er lagret i den minst ene spolen for begrensning av strømøkningen medfører en økning i spenningsoversvinget i likespenningen fra tilførselen.

I tilfellet av bryterkorrigering, kan seriekretsen av den minst ene kondensatoren og det andre elementet som har diodefunksjon anordnes så nær som mulig bryterelementet for å minimalisere spenningstoppen over dette. Den ekvivalente strø-induktansen i tilførselskretsen er vanskeligere å kontrollere i praksis, slik at spenningstoppen over bryterelementet er større i tilfellet av last-korrigering enn i tilfellet av bryter-korrigering. Det omvendte gjelder spenningsoversving.

Særlig når det anvendes halvleder-brytere, slik som GTO-tyristorer, felteffekt-transistorer (FET) og bipolare transitorer, kan en slik spenningstopp eller spenningsoversving over et ikke-ledende bryterelement føre til sammenbrudd av dette, som et resultat av hvilket det blir defekt. Særlig i tilfellet av last-korrigering blir det over visse fra-koblings st rømme r umulig, som en følge av de høye frakoblingstapene i bryterelementene, å anvende eksempelvis GTO-tyristorer. Bryterkorrigering skal derfor foretrekkes.

Tysk patentsøknad DE-2128454 viser i fig. 7 en symmetrisk bryterkorrigeringskrets, der midlene for utladning av den energi som er lagret i den tilhørende kondensator ved kobling av et bryterelement fra den innkoblede til den frakoblede tilstand består av en motstand som er koblet parallelt med nevnte kondensator. Under gjentatt innkobling av tilhørende bryterelement, blir denne energi omdannet til varme i denne motstand. Under frakobling av bryterelementene, vil energien som lagres i denne minst ene spole også bli omdannet til varme i disse parallelle motstander.

Utladningstiden for kondensatorene blir vesentlig bestemt av den tilhørende motstand i hvilken de utlader. Denne motstand kan ikke velges til å være for liten, fordi dette reduserer spenningsøkningen som begrenser operasjon av den tilhørende kondensator. Ettersom utladnignsstrømmen flyter via det tilhørende bryterelementet, kan denne motstand ikke velges til å være for liten, ettersom dette er ufordelaktig for den lastbærende evnen for bryterelementet. På den annen side kan motstandene ikke velges for store, på grunn av at utladning da tar for lang tid, hvormed den frekvens som bryterelementet kan kobles med blir redusert. Dette skyldes at bryterelementene kun optimalt beskyttes av kondensatorene mot en for høy spenningsøkning når de utlades.

I den krets som er kjent fra DE-A-1-3521983 som allerede er nevnt innledningsvis, er det beskrevet, i stedet for en motstand, en seriekrets av et diodeelement og en spennings-kilde som tillater tilbakeføring av elektrisk energi, for å utlade den energi som er lagret i den tilhørende kondensator og den strøm-økningsbegrensende spolen i alt vesentlig uten tap av energi. Imidlertid er det nevnt at nevnte spennings-kilde kan erstattes av en motstand eller annet elektrisk energiforbrukende element. Selvom DE-A-1-3521983 omhandler en korrigeringskrets for et symmetrisk anordnet bryterpar, består selve kretsen av identisk beskyttende kretser som opererer individuelt for en tilhørende bryter.

Oppfinnelsen har til formål å tilveiebringe en i alt vesentlig tapsfri symmetrisk korrigeringskrets som har lav strø-induktans med hvilken spenningsoversvinget i tilførsels-spenningen og spenningstoppene over bryterelementene samtidig blir effektivt redusert.

Dette oppnås, ifølge oppfinnelsen, ved at det for hvert bryterelement er tilveiebragt en ytterligere seriekrets bestående av minst en ytterligere kondensator og minst et tredje element som har diodefunksjon koblet i lederetningen relativt terminalene for likespenning, og er koblet respektivt mellom forbindelsespunktet for den i det minste ene kondensatoren og det i det minste ene andre elementet som har diodefunksjon i seriekretsen som er knyttet til det ene bryterelementet og terminalen for likespenning tilknyttet det andre bryterelementet, alt på en slik måte at en korrigeringskrets som er så lav i strøinduktans som mulig oppnås, og at midler for utladning av den lagrede energi er koblet til de respektive ytterligere kondensatorer.

Midlet for å utlade den lagrede energien kan realiseres på en kjent måte under anvendelse av minst ett bryterelement, ett element som har diodefunksjon og et spole, men hvilken den energi som er lagret i de ytterligere kondensatorer kan settes i nyttig anvendelse eller kan bringes tilbake til tilførselskilden.

Detaljert vurdering av operasjonen av kretsen ifølge oppfinnelsen sammenlignet med kretsen kjent fra DE-A1-3521983 viser at i kretsen ifølge oppfinnelsen blir kondensatorene i en seriekrets som er koblet parallelt med bryterelementene samtidig aktive under overføring av strømmen gjennom lasten under frakobling av et bryterelement. Disse kondensatorer kan derfor ha mindre dimensjoner enn i en sammenlignbar bruk med den kjente kretsen, og de har derfor en mindre strø-selvinduktans.

Oppfinnelsen tilveiebringer følgelig en symmetrisk korrigeringskrets som har liten strøinduktans, hvilken på den ene side gir vern via kondensatorene som er koblet parallelt med bryterelementene, mot en for stor spennings-økning over selve bryterelementene og på den annen side effektivt begrenser, via de ytterligere kondensatorer, størrelsen av likespenningen for tilførselen over bryterelementene. Ved å inkorporere den i det minste ene spolen i forbindelsen til bryterelementene mellom tilførselskilden og den tilhørende terminal for likespenning til et bryterelement oppnås et effektivt vern mot en for stor strømøkning under innkobl ing, idet energien som er lagret i denne minst ene spole samt energien som er lagret i kondensatorene som er koblet parallelt med bryterelementene overføres til de ytterligere kondensatorene under kobling på grunn av resonansvirkning, slik at det ikke er nødvendig å innbefatte noen motstander i kretsen hvor energien omdannes til varme. Den energi som er lagret i disse ytterligere kondensatorer kan så bringes tilbake, med hjelp av energitransportmidlet, på en nyttig måte til likespenningstilførselskilden. Korrigeringskretsen ifølge oppfinnelsen er således hovedsakelig tapsfri.

For å være i stand til å lagre både energien hos kondensatorene som er koblet parallelt med bryterelementene samt energien for den i det minste ene strømøknings-begrensende spolen som er tilstede i kretsen, har de ytterligere kondensatorene en større verdi enn kondensatorene som er koblet parallelt med bryterelementene. For symmetri-betraktninger, blir en strømøknings-begrensende spole fortrinnsvis innbefattet i de to forbindelsene av likespenningen til terminalene som er tilhørende bryterelementene.

Det er nevnt at patentbeskrivelse WO-A-8,400,858 omhandler også en usymmetrisk tapsfri korrigeringskrets for en serieforbindelse av to bryterelementer, men hvor en kondensator er koblet parallelt uttrykkelig kun til bare et bryterelement og kun en ytterligere kondensator er anvendt for mottagelse av den energi som er lagret i den strøm-økningsbegrensende spolen og den førstnevnte kondensatoren. Det er forsøkt å verne begge bryterelementer med denne usymmetriske korrigeringskrets som i prinsippet er en kombinasjon av bryterkorrigering og lastkorrigering. En større spenningstopp vil derfor opptre over et av bryterelementene enn hva er tilfellet med den symmetriske kretsen ifølge oppfinnelsen.

Energioppbyggingen under bryteroperasjonen i bryterelementene fordeles over de to kondensatorene i den symmetriske korrigeringskretsen i henhold til oppfinnelsen, mens all energien må lagres i en større kondensator i den usymmetriske korrigeringskretsen.

Korrigeringskretsen, ifølge oppfinnelsen, har dessuten den fordel at, som en følge av at det ene bryterelementet blir ikke-ledende, kondensatoren som er koblet parallelt med det andre bryterelementet utlades via lasten som er koblet til forbindelsespunktet for de to bryterelementene, slik at utladningsstrømmen ikke vil strømme gjennom det tilhørende bryterelementet når sistnevnte igjen blir ledende og frekvensen som bryterelementene kan kobles med kan være større på grunn av at de tilhørende kondensatorer utlades tidligere.

På grunn av dens symmetri, er korrigeringskretsen ifølge oppfinnelsen særlig egnet for anvendelse i kombinasjon med brytende halvlederelementer som har meget høy hastighet, slik som GTO effekttyristorer eller effekttransistorer.

Ytterligere utførelsesformer av den symmetriske, elektriske korrigeringskretsen vil fremgå av de etterfølgende patent-krav. Likeledes vil ytterligere fordeler og anvendelser av den symmetriske korrigeringskretsen ifølge oppfinnelsen i, blant annet, en vekselretter som har tre utgangsspennings-nivåer og en trefasekrets, samt operasjonen derav, vil bli forklart i detalj i beskrivelsen som følger med henvisning til de eksempelvise utførelsesformer som er vist på teg-ningene. Figur 1 viser et eksempel på en enkel bryterkorrigeringskrets for beskyttelse av et bryterelement. Figur 2 viser et eksempel på en enkel lastkorrigeringskrets for beskyttelse av et bryterelement. Figur 3 viser, med heltrukne og stiplede linjer, forløpet av spenningsvariasjonen over bryterelementet i henholdsvis figur 1 og figur 2 under frakobling av dette. Figur 4 viser den kjente symmetriske bryterkorrigerings-kretsen, oppbygget av to kretser ifølge figur 1. Figur 5 viser en enkel krets for å begrense spenningsoversvinget som bevirkes av strø-induktansen i kretsen og i den ene eller de to strømøknings-begrensende spolene. Figur 6 viser en foretrukket utførelsesform av den symmetriske korrigeringskretsen ifølge oppfinnelsen. Figur 7 viser en mulig utførelsesf orm av en krets for å utlade den energi som er lagret i de ytterligere kondensatorene . Figur 8-10 viser strømforløpet gjennom kretsen i henhold til figur 6 i forskjellige tilstander av bryterelementene. Figur 11 viser en foretrukket utførelsesform av en symmetrisk trefase korrigeringskrets i henhold til oppfinnelsen. Figur 12 viser en foretrukket utførelsesform av en korrigeringskrets i henhold til oppfinnelsen i en krets for å oppnå en utgangsspenning som har tre nivåer. Figur 1 gir et eksempel på en såkalt ikke-tapsfri bryter-korrigerer. Spenningskilden Upc danner tilførselen til kretsen og er ofte representert som en kondensator (ikke vist). Lasten ZL er koblet i serie med bryterelementet S^ til spenningskilden. Den ekvivalente strøinduktanten Ls i tilførselslinjene til kretsen og strøelementet i tilførselen lipe inngår også i denne seriekrets. En friløpsdiode Dl er koblet i sperreretning relativt tilførselsspenningen parallelt med lasten Z^ som antas å være induktiv.

Korrigeringskretsen består av en parallellkrets av en diode Di og en motstand R^ i serie med en kondensator C]_. Korrigeringskretsen er koblet parallelt med bryterelementet . For tydelighets skyld er bryterelementet tegnet som en mekanisk bryter, men, som allerede nevnt i innledningen, kan denne selvfølgelig også være en halvlederbryter, slik som en GTO tyristor, FET eller bipolar transistor. Kretsen virker som følger.

Når bryterelementet S^ innkobles, dvs. er i sin ledende tilstand, vil kondensatoren C^ bli fullstendig utladet via motstanden R^. Den energi som er lagret i kondensatoren C^ forsvinner så som varme i motstanden R^. Når bryterelementet Si frakobles, dvs. går over til sin ikke-ledende tilstand, vil spenningen over kondensatoren C^ således være lik null.

Som en følge av den induktive karakter av lasten Zl hvis oppførsel i frakoblingsøyeblikket kan approksimeres ved hjelp av en strømkilde, vil strøm fortsette å flyte i kretsen når bryterelementet Si frakobles. Dette betyr at strømmen i som fløt først gjennom bryterelementet S^ da må overtas av dioden Bl i serie med kondensatoren C^. Spenningsbølgeformen som frembringes over bryterelementet S^ under frakobling derav er representert med en heltrukken linje i figur 3. Ved tidspunktet tg, begynner bryterelementet å frakoble og ved tidspunktet t^ er det fullstendig frakoblet. Direkte etter frakobling er der en spenningstopp med en maksimumsverdi VDP over bryterelementet. På grunn av at spenningen over kondensatoren C^ ikke kan endre seg brått, er det nødvendig å undersøke årsaken til denne spenningstopp i strøinduktansen i den krets som er dannet av S^-Di-C-l. Størrelsen av maksimumsverdien for Vjjp for spenningstoppen er, foruten størrelsen av denne strøinduktans, også avhengig av den takt som bryterelementet S^ kobler med, dvs. strømendringen pr. tidsenhet di/dt. Når strømmen overtas av kondensatoren og dioden D^, vil spenningen Ugi over bryterelementet S^ øke lineært opp til tilførselsspenningen TJjjq. Ved det øyeblikket blir strømmen gjennom lasten Zl overtatt av dens friløpsdiode Dl og et oversving opptrer i spenningen US^ på grunn av den energi som er lagret i strøinduktansen Ls, som har en størrelse lik 1/2 Lsi<2>, transporteres til kondensatoren C^. Strømmen gjennom den induktive lasten Zl kan fortsette å strømme via sin friløpsdiode D^. Kondensatoren C^ utlades igjen via motstanden R^ ned til tilførselspenningen u"dc> slik man vil se av den hel trukne linjen i figur 3, og forblir deretter oppladet på denne verdi.

På grunn av at der alltid er strø-selvinduktans tilstede i kretsen S-l-D-^-C-l, vil en spenningstopp som resulterer i frakoblingstap alltid opptre for en høy di/dt under frakobling av bryterelementet . For å holde disse frakoblingstapene lave, er det derfor viktig å holde strøinduktansen i disse kretser så liten som mulig. For dessuten å begrense spenningsoversvinget over bryterelementet Si så mye som mulig, er det nødvendig å holde den ekvivalente strøinduktansen Ls så liten som mulig.

For å begrense strømøkningen under innkobling av bryterelementet Si, blir en spole i serie med tilførselen i kretsen ofte innbefattet i praksis, eksempelvis spolen Li som er vist med stiplede linjer i figur 1. Denne spole har en friløps-bane via en seriekrets, koblet parallelt med denne, bestående av en diode D^, i sperreretning relativt tilførsels-spenningen, og en motstand R^. På grunn av motstanden R^, vil strømmen gjennom spolen L^ avta under gjenvinning. Spenningen over spolen øker så spenningsoversvinget i likespenningen fra tilførselen. Spolen L^ er ikke nødvendig for enhver anvendelse. Dette avhenger blant annet av hastigheten med hvilken bryterelementet S^ omveksler.

Figur 2 gir et eksempel på en såkalt ikke-tapsfri last korrigering. Komponentene som er gitt de samme henvisninger tilsvarer de som er vist i figur 1. Korrigeringskretsen D^, Ci, Ri er koblet parallelt med den induktive lasten Zl med friløpsdioden Dl- Kretsen virker som følger.

Når bryterelementet Si innkobles, opplades kondensatoren Ci via motstanden Ri. Samtidig forbrukes energi i Ri. Spenningsbølgeformen Ugi som frembringes over bryterelementet Si under frakobling derav er vist ved en brutt linje i figur 3. Ved tidspunktet tg, begynner Si å frakoble og ved ti er det fullstendig frakoblet. Direkte etter frakobling opptrer en spenningstopp igjen over bryterelementet, men nå med en maksimumsverdi V'pp. Størrelsen derav bestemmes av strø selvinduktansen i kretsen dannet av Si-C^-Di-Lg, idet Ls igjen representerer den ekvivalente strøinduktanten for tilførselen og forbindelseslinjene til lasten og bryterelementet, og av di/dt under frakobling av . I motsetning til kretsen i figur 1, er Ls nå plassert i den krets som bestemmer spenningstoppen som et resultat av hvilket V'pp er større enn Vpp, med frakoblingsbetingelsene de samme som i kretsen i figur 1, som vist i figur 3. Når bryterelementet frakobles og strømmen i gjennom lasten tas over C^- B-^, øker spenningen US^ lineært til tilførselsspenningen Upc etter spenningstoppen. Ved det øyeblikket vil strømmen gjennom lasten Zl bli overtatt av sin egen friløpsdiode Dl- Denne krets viser meget lite spenningsoversving på grunn av at strø selvinduktansen i C1-D1-D2 er lav. Selvom det ikke er vist på tegningen, kan en strømøknings-begrensende spole med en seriekrets, koblet parallelt med denne, av en motstand Rq og diode Bq koblet i sperreretning relativt tilførsels-spenningen, også innbefattes i denne kretsen. Denne strømøknings-begrensende spolen L^ bør innbefattes i dette tilfellet i forbindelsesledningen mellom Rj-D^ og lasten Zl-

Ved sammenligning av lastkorrigereren med bryterkorrigereren, er det verd å bemerke at førstnevnte generelt har en større spenningstopp som bestemmer energien derav. Denne større spenningstopp bevirkes ikke bare av den energi som lagres i ekvivalent-strøinduktanten Ls som forbrukes i bryterelementet, men også av de fysiske dimensjoner av, i særdeleshet, forbindelsesledningene mellom korrigeringskretsen og lasten som er større enn i bryterkorrigereren, hvilket medfører en større strøinduktans i kretsen. Særlig i tilfellet av høyhastighets bryter-elementer, slik som GTO-tyristorer, hvor en høy di/dt opptrer, slik som allerede nevnt innledningsvis, blir det umulig å anvende last korrigering over visse frakoblingsstrømmer som en følge av de høye frakoblingstapene i bryterelementene.

I betraktning av de begrensninger som gis av last korrigering på størrelsen av strøm som skal frakobles, særlig med høyhastighets koblende bryterelementer, skal oppmerksomheten i beskrivelsen som følger bli fokusert også på å forbedre bryterkorrigereren.

Den ovenfor beskrevne korrigererkrets kan også dobbelt-konstrueres, som en brokrets, slik at lasten kan tilføres vekselvis til de positive og negative terminaler på til-førselskilden Uj)c for eksempelvis vekselretteroperasjon. Kretsen er da som vist i figur 4 og tilsvarer den symmetriske bryterkorrigereren ifølge den kjente teknikk. I denne kretsen er to bryterelementer og S2 blitt innbefattet i en seriekrets, hver med sin egen korrigeringskrets. Spolen L^ tjener igjen for å begrense strømøkningen under innkobl ing av et bryterelement. Operasjonen av kretsen er i prinsippet den samme som med et enkelt bryterelement, med den forutsetning at bryterelementene svitsjes vekselvis. Forbindelsespunktet for de to bryterelementene danner utgangen fra kretsen til hvilken en last kan tilkobles. Friløpsdioden Dl som er vist i figur 1 erstattes, i kretsen i figur 4 som vist, av en diode, henholdsvis D5 og D5 koblet parallelt til hvert bryterelement.

Den største ulempen ved de ovenfor beskrevne enkle og doble korrigeringskretsene er det faktum at den energi som lagres i kondensatoren C^ eller C2 forbrukes i en motstand under innkobling av det tilhørende bryterelementet. Energien som lagres i spolen S^ forbrukes i motstanden Rc under frakobling av Si eller S2. Som allerede angitt innledningsvis, kan verdien av motstanden R^, R2 ikke velges til å være for liten i betraktning av en for stor belastning på det tilhørende bryterelementet under innkobling av dette. En altfor høy verdi av nevnte motstander betyr at kondensatoren utlades for langsomt, hvilket reduserer som nevnt frekvensen som bryterelementene kan operere med. Denne krets innehar dessuten intet vern mot spenningsoversvinget som bevirkes av strø induktansen Ls og motstanden Rq. All den energi som lagres i strø induktansen Ls og spenningsfallet over motstanden R^ danner tilsammen spenningsoversvinget som kan medføre i sammenbrudd over et frakoblet bryterelement, særlig i eksempelvis halvlederbrytere, med alle de ufordelaktige konsekvenser knyttet til dette.

En enkel og formålstjenelig måte å begrense spenningsoversvinget er bruken av et overspenningsvern eller såkalt klippingskrets. Et eksempel på en meget enkel klippingskrets er vist i figur 5. Parallelt med seriekretsen av lasten Zl og bryterelementet S± er der koblet en ytterligere seriekrets bestående av en kondensator C3 og en diode D3 koblet i lederetningen relativt den tilførte likespenning Upc* Denne seriekrets danner klippingskretsen.

Kondensatoren C3 i klippingskretsen er relativt stor relativt kondensatoren Cj. Som en følge av dioden D3 forblir kondensatoren C3 på en konstant spenning Uc som er større enn Uj)c. Når spenningen over klippekretsen blir større enn spenningen over kondensatoren C3, vil dioden D3 starte å lede så snart spenningen over lasten og bryterelementet holdes på verdien Uc. Dette betyr at størrelsen av spenningen TJ^g over bryterelementet er begrenset ved hjelp av klippingskretsen. den energi som er lagret i strø induktansen Ls og spolen tilføres så kondensatoren C3 som et resultat av hvilket L^ ikke trenger å bli forsynt med en friløpskrets. Den energi som er lagret i kondensatoren C3 må utlades på en eller annen måte, eksempelvis ved å bli returnert til likespennings-kilden. Midlene for å utlade denne energi er ikke vist i figur 5.

I kretsen ifølge oppfinnelsen, blir så minst to av disse klippingskretser og en symmetrisk korrigeringskrets i henhold til den kjente teknikk integrert på en måte slik at den energi som lagres i kondensatoren som er tilhørende bryterelementene og energien fra den/de anvendte strømøknings-begrensende spolen/spolene tilføres, under kobling til kondensatoren hos de respektive klippingskretser, som følge av hvilket der ikke er noe behov for å anvende en motstand i hvilken energien forbrukes. Dette resulterer i en i realiteten tapsfri korrigeringskrets. På grunn av at der alltid er to kretser som er aktive i kretsen ifølge oppfinnelsen under omkobling i et bryterelement, blir en effektiv reduksjon av innflytelsen av den uunngåelige strø selv-induktans oppnådd. En foretrukket utførelsesform av kretsen ifølge oppfinnelsen er vist i figur 6.

På en måte som gir så lav induktans som mulig, er en friløpsdiode Dg, D5 og seriekrets bestående av en diode og en kondensator, henholdsvis D^, og D2, Cg, koblet i parallell til hvert bryterelement , Sg. Kondensatorene C^ og Cg er derfor hver koblet med en ende til forbindelsespunktet C for de to bryterelementene S^, Sg. En klippingskrets bestående av diode D3 og en kondensator C3 er koblet mellom forbindelsespunktet for dioden D^ og kondensatoren C^ og den negative terminalen B. Likeledes er en klippingskrets bestående av en kondensator C4 og en diode D4 koblet mellom terminalen A og forbindelsespunktet for seriekretsen bestående av kondensatoren Cg og dioden Dg. For å holde strø induktansen i kretsen så lav som mulig, bør de diverse dioder og kondensatorer kobles fysisk så nær som mulig til de respektive bryterelementene. En liten strø induktans er absolutt nødvendig når høye strømmer behøves frakoblet ved høy hastighet.

Energitransport-midler ET er koblet til kondensatorene C3 og C4 for å utlade på en nyttig måte den energi som er lagret i disse kondensatorer. Midlene ET kan realiseres på forskjellige måter, eksempelvis som vist i figur 7. tilførsels-kretsene innbefatter dessuten to strømøknings-begrensende spoler Li og Lg. Bruk av flere enn én strømøknings-begrensende spole avhenger av bruken som kretsen skal settes til, takten som bryterelementene svitsjer på og typen av lasten som tilkobles forbindelsespunktet C for de to bryterelementene S^ og Sg. For en tilfredsstillende operasjon av kretsen er det essensielt viktig at den eller de strømøknings-begrensende spolen/spolene , Lg er koblet henholdsvis ved den ene enden til tilførselslikespenningen og ved den andre enden til de ytterligere kondensatorene C4, C3.

Diodene og kondensatorene C3, D3 og C4, D4 trenger ikke nødvendigvis å være koblet i den rekkefølge som er vist i figur 6 til henholdsvis terminalene B, A for likespenning. Dioden D3 og kondensatoren C3 kan eksempelvis ombyttes i posisjon, likesom dioden D4 og kondensatoren C4. Kondensatorene c3°S c4 må selvfølgelig ha en kapasitans slik at de er i stand til å lagre den energi som er lagret i kondensatoren og Cg samt i den /de strømøknings-begrensende spolen/spolene L^, Lg.

De elementer som er vist i figur 6 med et diodesymbol trenger ikke nødvendigvis å være dioder, men kan erstattes av et hvilket som helst annet element som har diodefunksjon, slik som eksempelvis en tyristor som virker som en diode. Hvis ønskelig, er det også mulig å koble en flerhet av elementer parallelt eller i serie, hvilket også gjelder de viste kondensatorer. Bryterelementene S± og Sg kan dessuten bestå av grupper av flere parallellkoblede bryterelementer eller kan utformes som en såkalt to-veis bryter. Bryterelementene kan dessuten danne en del av en såkalt vekselretter krets, opphakkerkrets, Dc/Dc omformere og lignende.

Figur 7 viser en mulig utførelsesform av energi-utladnings-midlene ET, idet den energi som er lagret i kondensatorene C3, C4 returneres periodisk til likespenningen. En resonanskrets er dannet ved hjelp av bryterelementene S4, S5 som selvfølgelig fortrinnsvis også er styrte halvlederbrytere, idet det som en følge av innkobling derav med henholdsvis C3, C4 og spolen L3, energien fra kondensatoren overføres til spolen. Ved å koble det relevante bryterelementet til av-tilstand igjen ved det øyeblikket som energien avsettes i 1,3, avbrytes resonanskretsen og L3 leverer sin energi via diodene D7, Dg tilbake til tilførselskilden TJDq, hvoretter syklusen kan gjentas. I stedet for å mate tilbake til Upc er det også mulig å mate en vilkårlig likestrømslast på denne måte, eksempelvis en vifte for tvunget avkjøling av kretsen.

Operasjonen av kretsen ifølge oppfinnelsen er nå vist med henvisning til figurene 8-10. I disse er utgangsstrømmen I0 gjennom lasten Zl vist i kun en retning. Operasjonen i den andre retningen er samsvarende på grunn av symmetrien i korrigeringskretsen. Som allerede angitt antas lasten Zl og være sterkt induktiv av natur. Tidskonstanten for lasten Zl antas å være så stor at lasten under bryteroperasjonen kan ansees å være praktisk talt en strømkilde. For enkelhets skyld er energiutladningsmidlene ET blitt utelatt.

Det kan forestilles en situasjon hvor bryterelementet S± innkobles og bryterelementet Sg utkobles. Kondensatorene C3 og C4 opplades til en spenning Uc akkurat som kondensatoren Cg som opplades via S^ og Dg til spenningen TJC, idet Uc er større enn JJ- qq . Kondensatoren C^ utlades.

Bryterelementet S^ vil deretter bli frakoblet og bryterelementet Sg innkoblet, idet det antas at Sg ikke innkobler før Si endrer seg til den ikke-ledende tilstanden. For å oppnå dette vil det være en kort forsinkelsetid mellom utkobling av S^ og innkobling av Sg. På grunn av denne forsinkelsetid kan det være to forskjellige muligheter for utgangsspenningen til å endre fortegn, nemlig a) Den induktive strømmen gjennom lasten Zl er så stor at utgangsspenningen endrer fortegn under forsinkelsestiden,

eller

b. Sg innkobler før utgangsspenningen er blitt lav.

Det antas at bryterelementet S^ kobler meget hurtig (ideelt).

La oss nå se på den situasjon som er angitt under a. Etter utkobling av S^ vil et strømforløp som vist med de tykke heltrukne linjer i figur 8 bli oppnådd etter en kort tid i korrigeringskretsen. To strømbaner, nemlig en første strømbane som har meget lav strø-selvinduktans, via D^-Ci og en andre strømbane via C4-D4-C2 danner i korrigeringskretsen strømmene gjennom lasten Zl som strømmer tilbake til spenningstilførselen. I denne fase blir kondensatoren C^ oppladet og S^ beskyttes dermed mot en for stor spennings-økning, og kondensatoren Cg utlades via last Zl- Spenningen over lasten Zl avtar.

Så snart som spenningen over lasten Zl blir null, blir friløpsdioden D(, ledende. Dette resulterer i at strømmen som skyldes den energi som er lagret i lasten Zl fortsetter å strømme via denne dioden D^,, slik som angitt med den tykke stiplede linjen i figur 8. Den energi som er lagret i spoler L^ og Lg vil så bli lagret avstemt i kondensatoren C^ og kondensatoren C4. Eesonanskretsene dannes derfor av L1-[(D1-C1)//(C4-D4C2)]-(D6//Zl)-L2

hvor "//" angir en parallellforbindelse. For å oppnå disse resonanskretser er det vesentlig at de strømøknings-begrensende spolene L^ og/eller Lg inngår i kretsen i den posisjon som er vist i figurene.

Så snart spenningen over kondensatoren C^ blir større enn spenningen over kondensatoren C3 og henholdsvis spenningen over kondensatoren Cg blir lik null, blir henholdsvis diodene D3 og Dg ledende og spenningen U^g over seriekretsen av bryterelementene S^, Sg begrenses til verdien TJC på grunn av at kondensatorene C3 og C4 velges så store at under denne fase kan spenningen over disse kondensatorer antas å være konstant og således er spenningen over seriekretsen av bryterelementene konstante. Strømforløpet i denne situasjon er vist i figur 9. Under denne fase blir energien fra spolene L^ og Lg lagret ytterligere i kondensatorene C3 og C4.

Så snart som strømmen gjennom spolene L^ og Lg er null, vil spenningen U^g gå tilbake til verdien Upc og kretsen kommer til ro. I denne situasjon blir kondensatoren C-^ ladet til Uq og kondensatoren Cg utladet. Etter den nevnte forsinkelsestiden har forløpt, vil bryterelementet Sg bli innkoblet, hvorved strømmen som kan fortsatt flyte gjennom friløpsdioden D5 for lasten Zl, avhengig av typen av bryterelement, vil så starte å flyte gjennom Sg eller vil fortsette å flyte gjennom

La oss nå se på den situasjon som er beskrevet under b.

Spenningene over kondensatorene før bryterelementet S^ utkobler er de samme som i den ovenfor beskrevne situasjon. Et strømforløp som vist med de tykke heltrukne linjer i figur 8 vil også bli oppnådd i dette tilfellet når S^ utkobler. Når bryterelementet Sg innkobler, vil en strøm, som angitt med den tykke stiplede linjen i figur 8 begynne å flyte gjennom denne. Et resonansfenomen opptrer nå hvormed kondensatoren Cj_ ytterligere opplades og kondensatoren Cg ytterligere utlades. Så snart som spenningen over C^ blir større enn spenningen over kondensatoren C3, henholdsvis spenningen over Cg blir lik null, blir diodene D3 og Dg ledende og et strømforløp frembringes som vist i figur 9. Kretsen vil komme til ro på den samme måte som beskrevet for situasjonen a.

Når kretsen har kommet til ro i ovennevnte situasjon a og b som beskrevet, vil utkoblingen i bryterelementet Sg ikke bevirke noen endring på grunn av at strømmen som flyter gjennom lasten Zl da vil bli overtatt av friløpsdioden D5.

Når bryterelementet S^ deretter innkobles igjen, blir spenningen TJ^j null volt. Strømmen gjennom S^ vil øke. Gradienten av strømøkningen er begrenset av L^, Lg til (di/dt )S"L = Uj)Lc/Ll» L2* N^r strømmen gjennom S^ er lik Iq, vil dioden D^ starte å blokkere. En resonanskrets er så blitt dannet av L1-S1-[(C1-D3-C3)// (Cg-D2)]-L2. Som et resultat blir C^ utladet til 0 volt og Cg ladet opp til Uc. I det øyeblikket denne situasjon oppnås, begrenses spenningen UAB av (Di-Ds-Cs)// (C4-D4-D2) til Uc (Figur 10). Over-skuddsenergien fra , Lg lagres i C3, C4. Strømmen gjennom Lx, L2 er lik ID.

Når, slik som i praksis, bryterelementene danner del av eksempelvis en tre-fase vekselretterkrets, som vist i figur 11, hvor det høyre sifferet i henvisningstallene for elementene tilsvarer henvisningen i kretsen ifølge figur 6, vil en last bli koblet vekselvis mellom punkter (AC)} og (BC)i, i = 1, 2, 3 .... avhengig av tilstanden for de andre bryterelementene. Dette betyr at en strøm da kan flyte gjennom den tilkoblede last, eksempelvis mellom punktene Aj og C^ når bryterelementet S^g innkobles. Utkobling av S^g resulterer så i at kondensatoren C^i utlades på den samme måte som beskrevet ovenfor for kondensatoren Cg. Energien som er lagret i kondensatoren ankommer i kondensatoren C3, som et resultat av hvilket bryterelementet ikke vil bli belastet av denne utladningsstrøm under innkobling derav. Bryterelementet S^g beskyttes av dens utladede kondensator C^g mot for stor spenningsøkning.

Slik det er åpenbart fra det ovenstående, blir to separate kretser samtidig aktive under frakobling av et bryterelement. For det tilfellet som er beskrevet i figurene 8-10 er situasjonen den, når bryterelementet S^ er utkoblet, at korrigeringskretsen S^ er aktiv, dvs. dioden D^ og kondensatoren C^, og at kondensatoren Cg i korrigeringskretsen Sg er aktiv samtidig via klippingskretsen som dannes av kondensatoren C4 og dioden D4. Kondensatorene C^ og Cg er på grunn av dette parallelle. Verdien av de separate kondensatorer kan derfor i prinsippet velges til å være mindre, med den resulterende mindre strø-selvinduktans (mindre dimensjoner). Dette kan gjerne refereres til som en primær og sekundær bryterkorrigering. Primærbryter korrigereren D^, C^ er meget lav hva angår strø induktans og begrenser derfor Vpp (figur 3) og således brytertapene i bryterelementet. Den sekundære bryterkorrigereren C4, D4, Cg, hjelper til med å begrense spenningsøkningen etter spenningstoppen Vpp og omvendt.

I forhold til den enkle klippingskretsen som er vist i figur 5, har kretsen ifølge oppfinnelsen den fordel at strømmen allerede flyter gjennom en gren av hele klippingskretsen, nemlig C4 og D4, før avklipping av spenningen, som en følge av hvilket denne klippingskrets vil vise mindre spenningsoversving enn klippingskretsen ifølge figur 5 på grunn av at ingen øyeblikkelig strøm kan flyte gjennom denne klippingskretsen på grunn av strø-selvinduktansen.

I tre-fase utførelseformen av korrigererkretsen ifølge oppfinnelsen, vist i figur 11, blir kondensatoren C3 og C4 anvendt sammen for hele kretsen. Energiutladningsmidlene er også kun enkeltvis i utførelsesform, akkurat likesom den/de strømøknings-begrensende spolen/spolene L^ , Lg. Det er selvfølgelig mulig å konstruere kondensatorene C3 og C4 separat for hver krets, mens fordelen fortsatt forblir at energiutladningsmidlene kan anvendes samlet for samtlige av nevnte kondensatorer.

Figur 12 viser korrigeringskretsen i henhold til oppfinnelsen anvendt i en såkalt vekselretter, hvilken kan godta tre potensialer på sin utgang C, nemlig positiv, null og negativ. Forbindelsen som er vist består i realiteten av to seriekoblede symmertrisk korrigeringskretser i henhold til figur 6, idet den direkte forbindelsen mellom diodene D^g, Dg^ og bryterelementene S^g, Sg^ imidlertid er avbrutt. Både mellom forbindelsespunktet for diodene D-^g, Dg^ og forbindelsespunktet mellom kondensatorene C-^, C^g samt mellom forbindelsespunktet for kondensatore<n> Cg^, Cgg er der koblet en diode, henholdsvis Dg og D'g i en sperreretning relativt terminalen for likespenning. Utgangen fra kretsen er dannet av forbindelsespunktet C for bryterelementene S^g °S s21* Utgangen blir positiv når S^ og S^2 innkobles, utgangen blir null når S^2 °g s21 innkobles, idet og <S>22 er frakoblet, og utgangen blir negativ når S2i og S22<i>nnkobles.

Bryterkorrigereren for er dannet av D^, C^, bryterkorrigereren for S^2 er dannet av <D>2i, <C>2^, bryterkorrigereren for S2^ er dannet av D^2, C^2 og bryterkorrigereren for S22 er dannet av <D>22 <C>22. Kretsen virker som følger: Anta at bryterelementene Sj^ og S^2 innkobles slik at utgangen C fører et positivt potensial. Kondensatoren og C2i blir så utladet og kondensatorene C^2 og C22 o<pp>lades til Uc. Under omkobling av utgangen C fra et positivt potensiale til et null potensial, frakobles og S^2 forblir innkoblet. Strømmen som flyter gjennom S-j^ overtas av dens korrigeringskrets Du» C^ med parallellkoblede kretser dannet av <C>i4-<D>^4-Ci2. Som forklart ovenfor lades kondensatoren C-q opp til Uc og kondensatoren C^2 utlades til null volt. Spenningen over S^^ er begrenset av dens klippingskrets bestående av Ci4-<D>^4-D^2 parallelt med klippingskretsen <D>11~<D>13-C13 "til spenningen Uc.

Strømmen gjennom lasten flyter så fra nullterminalen via dioden Dg og S^2. S2^ blir deretter innkoblet slik at strømmen kan flyte fra og til O-terminalen.

Under omkobling av utgangen C fra null potensial til et startnivå med et negativt potensial, blir S^2 utkoblet. Hvis der er fortsatt strøm som flyter gjennom S^2, kan denne strøm flyte ytterligere via kretsen som er dannet av D2^-C2^-D25 med kretsen som er koblet parallelt til denne, dannet av <C>24~D24~C22-D25• Under denne prosess blir kondensatoren C2^ oppladet til en spenning Uc, og kondensatoren C22 utlades til 0 volt. Ved oppnåelse av denne situasjon, blir den parallelle klippingskretsen C24-D24-D22-D-2^,-D25 og ^21-D23~<C>23"<D>26~^25 henholdsvis operative slik at spenningen over det utkoblede bryterelementet S^g begrenses til spenningen Uc. S22 kan så innkobles. Dersom, under frakobling av S^g» ingen strøm skulle flyte derigjennom, vil ovenfor beskrevne prosess hva angår åpning av S^g ikke finne sted. Under innkobling av S22 vil en resonansstrøm så bli frembragt via kretsen dannet av (D2i-C2i-S22-<L>2)//(<C>24-<D>24~ C22~<S>22~L2)• Som følge derav vil kondensatoren C21 bli oppladet til en spenning Uc og kondensatoren C22 vil bli utladet til 0 volt.

Operasjonen av kretsen under utkobling av de andre bryterelementene finner sted på en lignende måte og kan lett utledes fra det ovenstående. Den ovenstående beskrivelse viser at korrigeringskretsen for å tilveiebringe en utgangsspenning på tre nivåer i alt vesentlig opererer på den samme måte som i kretsen vist i figur 6, hvor utgangen kan få kun to spenningsnivåer. I denne kretsen kan en primær og en sekundær korrigeringskrets også anvises og to kretser arbeider alltid parallelt under beskyttelsen av bryterelementene. Som vist i figur 12 med stiplede linjer kan en strømøknings-begrensende spole L4 selvfølgelig også innbefattes i nøytralledningen. Det er dessuten mulig å konstruere den krets som er vist i figur 12 til å være flerfase, slik som den viste trefase kretsen, eksempelvis i figur 11. Midler for å utlade energien kan tilkobles, på en tilsvarende måte som vist, eksempelvis i figur 7, til de respektive ytterligere kondensatorer 0^4, C^3; C24, C23. I den nevnte trefase utførelsesformen kan disse ytterligere kondensatorer utformes samlet for alle faser.

Claims (7)

1. Symmetrisk, elektrisk korrigeringskrets for å beskytte minst to seriekoblede bryterelementer (S]_; Sg), av hvilke endene som ikke er tilkoblet hverandre danner en henholdsvis positiv (A) og en negativ (B) terminal for tilkobling, via minst en spole (L^; Lg), av en likespenning (Ujjq), minst et første element (D5; D5) som har diodefunksjon koblet i sperreretning og en seriekrets av minst en kondensator (C^; Cg) og minst et andre element (D^jDg) som har diodefunksjon koblet i lederetningen relativt terminalene (A; B) for likespenningen som er koblet parallelt med hvert av de respektive bryter-elementer (S]_; Sg), idet minst en kondensator (Cj_; Cg) i hver seriekrets er koblet til det innbyrdes forbindelsespunktet (C) for bryterelementene (S]_; Sg), og midler (ET) for å utlade energien som er lagret i kondensatorene (Cj_; Cg) er tilveiebragt, karakterisert ved at det for hvert bryterelement (S^;Sg) er tilveiebragt en ytterligere seriekrets bestående av minst en ytterligere kondensator (C3; C4) og minst et tredje element (D3; D4) som har diodefunksjon koblet i lederetningen relativt terminalene (A; B) for likespenning, og er koblet respektivt mellom forbindelsespunktet for den i det minste ene kondensatoren (C^; Cg) og det i det minste ene andre elementet (Dj_; Dg) som har diodefunksjon i seriekretsen som er knyttet til det ene bryterelementet (S]_; Sg) og terminalen (B; A) for likespenning tilknyttet det andre bryterelementet (Sg; S^), alt på en slik måte at en korrigeringskrets som er så lav i strø-induktans som mulig oppnås, og at midler (ET) for utladning av den lagrede energi er koblet til de respektive ytterligere kondensatorer (C3; C4).

2. Symmetrisk, elektrisk korrigeringskrets med en første og andre seriekoblet symmetrisk korrigeringskrets som angitt i krav 1, der hver har minst to seriekoblede bryterelementer (S^, Sig? <S>gi»<S>22)»karakterisert ved at den negative terminalen (B) for likespenning i den første symmetriske korrigeringskretsen og den positive terminalen (A) for likespenning i den andre symmetriske korrigeringskretsen er koblet til hverandre og danner en null-potensial terminal (0) for likespenningen (tø Ujj^; tø Ujjc ) som skal tilføres, idet den direkte forbindelse mellom denne null-potensial terminal (0) og de innbyrdes sammenkoblede ender (C) av bryterelementene (S^2» s2l) i nevnte første og andre symmetriske korrigeringskrets er avbrutt og idet de respektive første elelementer (<D>15, <D>]^; <D>25, D26) som har diodefunksjon er koblet parallelt med bryterelementene(Sn» s12> <s>21» S22)» °g hvor minst ett element (Dg;D'g) som har diodefunksjon i sperreretningen relativt terminalene (Aj,B^; A2, B2) for likespenning er koblet mellom nullpotensial terminalen (0) og de innbyrdes forbindelsespunktene for de i det minste to seriekoblede bryterelementene (S^, $ 12' ^ 21' S22) i nevnte første og andre symmetriske korrigeringskrets.

3. Symmetrisk elektrisk korrigeringskrets som angitt i krav 1 eller 2, forsynt med flere parallelle kretser av minst to seriekoblede bryterelementer (S^, S-^; <S>2^, S22t s3l» <s>32)» karakterisert ved at de ytterligere kondensatorene (C3, <C>4; (^3, <C>14; <C>23, C24) er konstruert for alle kretsene samlet og er tilkoblet ved en ende til en terminal (A^, A2, A3; B]_, B2, B3) for likespenning og ved den andre enden til de tilhørende korresponderende tredje elementer (D13, I>23» <D>33; <D>14, <D>24, D34) som har diode-funksj on.

4. Symmetrisk, elektrisk korrigeringskrets som angitt i krav 1,

2 eller 3, karakterisert ved at de respektive bryterelementene (S]_, S2; snS22 > Sn_s32) består av en gruppe av flere parallelle bryterelementer.

5. Symmetrisk elektrisk korrigeringskrets som angitt i krav 1, 2, 3 eller 4, karakterisert ved at bryterelementene (Slt S2; Sllt <S>12; <S>21, <S>22, <S>31, <S>32) i en krets er konstruert som to-veis brytere.

6. Symmetrisk elektrisk korrigeringskrets som angitt i krav 1, 2, 3, 4 eller 5, karakterisert ved at bryterelementene (S^, S2; sn_s<2>2 5 <s>ll~s32) er styrte halvlederelementer.

7. Symmetrisk elektrisk korrigeringskrets som angitt i krav 6, karakterisert ved at halvlederelementene er GTO tyristorer.