DE1239768B - Selbstgesteuerter Wechselrichter mit Transistoren - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H02m

H 02 ρ
Deutsche Kl.: 21 d2 -12/03

Nummer: 1 239 768

Aktenzeichen: W 22684 VIII b/21 d2

Anmeldetag: 1. Februar 1958

Auslegetag: 3. Mai 1967

In der Hauptpatentanmeldung ist ein selbstgesteuerter Wechselrichter mit zwei im Gegentakt auf je eine Teilwicklung der Primärwicklung eines Transformators arbeitenden und steuerseitig mit Sekundärwicklungen desselben in Verbindung stehenden Transistoren beschrieben. Die Steuerelektroden der Transistoren sind derart mitkoppelnd an sekundäre Steuerwicklungen des Transformators angeschlossen, daß jeweils der sich öffnende Transistor während seiner gesamten Öffnungszeit ein Öffnungspotential und der andere Transistor während der gleichen Zeit ein Sperrpotential erhält. Die Umsteuerung der beiden Transistoren wird durch in den Steuerwicklungen induzierte Steuerspannungen entgegengesetzter Richtung eingeleitet. Zum Erzielen der Steuerspannung besitzt der Transformator einen Kern aus einem Material mit im wesentlichen rechteckiger Hystereseschleife, und der Kern ist zur Sättigung innerhalb des Bereiches der Primärspannung bemessen. Derartige Wechselrichter sind bekannt.

Das Aufhören der Flußzunahme tritt bei Verwendung eines Transformatorkernmaterials mit annähernd rechteckförmiger Magnetisierungsschleife ein, wenn der Sättigungsast der Schleife erreicht wird. Der bekannte Wechselrichter hat somit die Eigenschaft, an den Ausgangsklemmen eine Wechselspannung von annähernd rechteckiger Kurvenform abzugeben, deren Frequenz von der Zeitdauer bestimmt wird, die bis zum jeweiligen Aufhören der Flußzunahme vergeht. Über einen beträchtlichen Bereich veränderbarer Speisespannung ist die Frequenz, d. h. die Zeitdauer der positiven und negativen Teilwellen eine lineare Funktion der Höhe dieser Spannung, was für Fernmessung und ähnliche Zwecke ausgenutzt werden kann.

Nähere Untersuchungen haben ergeben, daß die Wirkungsweise eines derartigen Wechselrichters in gewissen Anwendungsfällen durch Schwankungen der Umgebungstemperatur beeinträchtigt werden kann. Dies resultiert vor allem daraus, daß Temperaturänderungen die magnetischen Eigenschaften des Kernmaterials und die elektrischen Eigenschaften der verwendeten Schaltelemente beeinflussen. Die Frequenz der Ausgangswechselspannung ändert sich daher um einen Betrag, der von der Änderung der Umgebungstemperatur abhängig ist, auch wenn die Eingangsgröße auf einem konstanten Wert gehalten wird.

Die Beeinflussung der Zeit, die bis zum jeweiligen Aufhören der Flußzunahme vergeht, führt dazu, daß die Frequenz der Ausgangswechselspannung nicht mehr ein getreues Abbild der Höhe der Eingangsgleichspannung ist.

Selbstgesteuerter Wechselrichter mit Transistoren

Zusatz zur Anmeldung: W16284 VIII b/21 d2 — Auslegeschrift 1171 983

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation, East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. jur. G. Hoepffner, Rechtsanwalt, Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

George H. Royer, Pittsburgh, Pa.; Richard L. Bright, Adamsburg, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 25. Februar 1957 (642 034)

Es ist außerdem bei Gegentaktverstärkern bekannt, zwei Eingangsgleichspannungen unterschiedlicher Polarität zwei in getrennten Strompfaden angeordneten Schaltelementen zuzuführen, so daß eine Ausgangsspannung erzielt wird, die positive und negative Teile aufweist, deren Zeitdauer und Richtung jeweils von der Dauer und Richtung der zugeordneten Eingangsspannung abhängt.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Wechselrichter gemäß der Hauptpatentanmeldung derart aufzubauen, daß der Einfluß veränderlicher Umgebungstemperaturen unterdrückt wird. Diese Aufgabe wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dadurch gelöst, daß die Primärteilwicklungen des Transformators an verschiedene Gleichspannungsquellen unterschiedlicher Spannung angeschlossen sind. Dann hat die Ausgangswechselspannung positive und negative Teilwellen, deren Zeitdauer von der Größe der Gleichspannungen abhängt. Es wurde festgestellt, daß bei einer solchen Anordnung das Verhältnis der Dauer der positiven und negativen Teilwellen der Ausgangsgröße von Änderungen der Umgebungstemperatur unabhängig ist.

Die positiven Teilwellen der Ausgangswechselspannung haben eine Länge, die der Größe der einen Eingangsgleichspannung umgekehrt proportional ist,

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während die Länge der negativen Teilwellen der anderen Eingangsgleichspannung umgekehrt proportional ist. Das Verhältnis zwischen den Längen der negativen und positiven Teilwellen entspricht daher dem Verhältnis der Eingangsgleichspannungen. Wenn irgendeine Änderung der elektrischen und magnetischen Daten der Schaltungen auf Grund von Schwankungen der Umgebungstemperatur eintritt, so werden die Längen sowohl der positiven als auch der negativen Teilwellen gleichartig beeinflußt, so daß ihr Verhältnis unverändert bleibt und einen genauen Vergleich der Größen der Eingangsgleichspannungen unabhängig von der Temperatur gestattet.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind zwei Eingangsgleichspannungen vorgesehen, von denen nur die eine in einem der obengenannten beiden Stromkreise liegt, während die andere in beiden Stromkreisen angeordnet ist. Auf diese Weise kann man in der Ausgangswechselspannung Teilwellen erzielen, deren Länge von der algebraischen Summe der beiden Eingangsspannungen abhängt, während die Länge der Teilwellen entgegengesetzter Polarität der Größe einer der Eingangsspannungen proportional ist.

Die Beeinflussung- des Verhältnisses der Längen der positiven und negativen Teilwellen mit Hilfe der Veränderung einer oder beider Eingangsgleichspannungen kann auch mit besonderem Vorteil für Regelzwecke Verwendung finden. Bekanntlich werden Transistoren dann am besten ausgenutzt, wenn sie nicht kontinuierlich ausgesteuert, sondern als Schalter benutzt werden. Auf der Grundlage derartiger Schalttransistoren sind bereits Zweipunktregler bekanntgeworden. Die Transistoren werden mit einer Rechteckspannung ausgesteuert, die sie abwechselnd aus- und einschaltet, wobei die Länge der Ein- und Ausschaltdauer von der Höhe einer Bezugsspannung abhängig ist. Die Einrichtung nach der Erfindung kann daher als Zweipunktregler bzw. als taktgebende Stufe für einen solchen verwendet werden.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden im folgenden zwei Ausführungsbeispiele beschrieben, die in der Zeichnung schematisch dargestellt sind.

Die F i g. 1 entspricht in großen Zügen der F i g. 4 der Hauptpatentanmeldung. Einander entsprechende Schaltelemente sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen worden. Der Ausgangstransformator 19 mit dem Kern 21 trägt eine Sekundärwicklung 47 mit den Ausgangsklemmen 49 und 51, zwei Primärwicklungen 27 und 29 und zwei weitere Sekundärwicklungen 25 und 31 für die Steuerung der Transistoren 3 und 5.

Im Kollektorkreis des Transistors 3 ist eine Batterie 1 angedeutet. Diese Batterie vertritt die Stelle einer beliebigen Gleichspannungsquelle, die die erste Eingangsgleichspannung liefert. Es kann sich hier wie bei den übrigen in der Zeichnung vorhandenen Batterien auch um einen wechselstromgespeisten Gleichrichtersatz oder andere Gleichstromquellen handeln.

In einem zweiten Stromkreis ist gemäß der Erfindung eine weitere Batterie 201 angeordnet, die die zweite Emgangsgleichspannung liefert. Die Klemme 41 bei der Anordnung nach F i g. 4 der Hauptpatentanmeldung ist zur Trennung der beiden Stromkreise in die Klemmen 41 und 241 aufgeteilt.

Im folgenden soll gezeigt werden, daß die Anordnung nach F i g. 1 eine Ausgangswechselspannung an den Klemmen 49 und 51 erzeugt, deren positive bzw. negative Teilwellen bezüglich ihrer Längen der Spannung der Batterie 1 bzw. 201 umgekehrt proportional sind.

Zur Erläuterung sei angenommen, daß der Transistor 3 geöffnet, d. h. im gesättigten und voll stromdurchlässigen Zustand ist, während der Transistor 5 gesperrt ist. Es fließt dann Strom von der Batterie 1 über den Emitter und den Kollektor des Transistors 3

ίο und die Wicklung 27. Dadurch wird der Kern 21 in der durch den Pfeil 6Oe angedeuteten Richtung aufmagnetisiert. Wegen des etwa linearen Anstiegs des Flusses im Kern 21 werden in den Wicklungen 25 und 31 etwa konstante Spannungen induziert. Die Spannung der Wicklung 25 hält den Transistor 3 geöffnet, die Spannung der Wicklung 31 den Transistor 5 gesperrt.

Sobald die Flußzunahme wegen Erreichens der magnetischen Sättigung des Kernes oder des Sättigungsstromes des Transistors 3 aufhört, sinkt die induzierte Spannung in der Wicklung 25 auf Null, und der Transistor 3 wird gesperrt. Damit wird auch der Erregerstrom durch die Wicklung 27 unterbrochen, und die magnetische Induktion des Transformators läuft auf den Remanenzwert zurück. Es tritt eine gewisse Abnähme des magnetischen Flusses ein, wodurch in den Wicklungen 25 und 31 Spannungen erzeugt werden, die den früher entstandenen Spannungen entgegengesetzt gerichtet sind. Der Transistor 3 wird daher weiterhin gesperrt gehalten, während der Transistor 5 geöffnet wird. Es beginnt dann sofort die Aufmagnetisierung des Kernes 21 über die Wicklung 29 in umgekehrter Richtung (Pfeil 72 e) durch einen Strom, der von der Batterie 201 geliefert wird. Während der Aufmagnetisierung entstehen in den Wicklungen 25 und 31 annähernd konstante Spannungen, die den Transistor 3 gesperrt und den Transistor 5 geöffnet halten. Nach Aufhören der Flußzunahme wiederholen sich die bereits erläuterten Vorgänge analog, d. h., es wird der Transistor 5 gesperrt und der Transistor 3 geöffnet.

Das Verhältnis zwischen den Längen der positiven und negativen Teilwellen der Ausgangswechselspannung ist gleich dem Verhältnis der Spannungen der Batterien 201 und 1. Sind diese beiden Spannungen verschieden groß, so ergibt sich ein Maß für dieses Verhältnis durch Vergleich der Längen der positiven und negativen Teilwellen. Dies gestattet eine sehr genaue Messung einer Gleichspannung. Man wird dann eine der beiden Eingangsgleichspannungen, beispielsweise die der Batterie 201, auf einen festen Wert einstellen, um die Größe der anderen Eingangsgleichspannung zu messen.

In den F i g. 2 bis 4 sind Beispiele für die von dem Wechselrichter nach F i g. 1 erzeugten Kurvenformen dargestellt. In F i g. 2 bezeichnet 253 eine Rechteckspannung, deren positive Teilwellen die Länge TP und deren negative Teilwellen die Länge TN haben. Im Beispiel ist angeommen, daß die Zeit TP doppelt so groß wie die Zeit 7W ist. Eine solche Kurvenform ergibt sich, wenn die Batterie 201 die doppelte Spannung der Batterie 1 aufweist.

In F i g. 3 bezeichnet 253 α eine Rechteckspannung mit gleicher Länge der positiven und negativen Teilwellen für den Fall, daß die Batterien 1 und 201 die gleiche Spannung aufweisen wie bei dem bekannten Wechselrichter. In F i g. 4 bezeichnet 253 b eine Rechteckspannung, bei der die Länge der negativen

Teilwellen etwa viermal so groß wie die der positiven Teilwellen ist. Eine derartige Kurvenform erhält man, wenn die Batterie 1 die vierfache Spannung der Batterie 201 hat.

Messung bzw. Vergleich der Teilwellen der Ausgangsspannung kann in geeigneter bekannter Weise erfolgen. Beispielsweise kann man die Ausgangsspannung einem Oszillographen zuführen, um die Teilwellen unmittelbar miteinander zu vergleichen. Es ist auch möglich, die Ausgangsspannung an Integrierkreise anzulegen und den Gleichstrommittelwert der Rechteckspannung zu bilden.

Wird die Einrichtung nach F i g. 1 als Zweipunktregler verwendet, so kann die Ausgangswechselspannung unmittelbar zur Aussteuerung nachfolgender Verstärker, insbesondere Transistorverstärker, oder anderer Stellglieder dienen.

Temperaturänderungen wirken sich bei der Schaltung nach F i g. 1 nur insofern aus, als die Längen der positiven und negativen Teilwellen proportional verändert werden, d. h., die Periodendauer der Ausgangswechselspannung schwankt. Das Verhältnis der Teilwellen bleibt jedoch unverändert.

F i g. 5 zeigt eine Abwandlung der Einrichtung nach Fig. 1, die im wesentlichen einen analogen Aufbau hat, sich jedoch insofern unterscheidet, als die beiden Batterien 1 und 201 nicht mehr in getrennten Stromkreisen angeordnet sind, sondern die Batterie 1 den beiden Stromkreisen gemeinsam ist. Bei einer solchen Anordnung wird die Wicklung 27 unter dem Einfluß einer Spannung aufmagnetisiert, die der algebraischen Summe der Spannungen der beiden Batterien 1 und 201 entspricht. Die algebraische Summe hängt bekanntlich sowohl von der Größe als auch von der Polarität der Spannungen ab. Dagegen erfolgt die Auf magnetisierung des Kernes über die Wicklung 29 nur unter dem Einfluß der Spannung der Batterie 1.

Mit der Einrichtung nach F i g. 5 kann sowohl die Größe als auch die Polarität einer Eingangsspannung bestimmt werden. Die Längen der positiven und negativen Teilwellen der Ausgangswechselspannung sind im wesentlichen gleich, wenn die Spannung der Batterie 201 gleich Null ist. Hat die Spannung dagegen die in F i g. 5 angedeutete Polarität, so ist die Länge der positiven Teilwellen kleiner als die der negativen. Analog ist bei umgekehrter Polarität der Batterie 201 die Länge der positiven Teilwellen größer als die der negativen. Den Unterschied in den Längen der positiven und negativen Teilwellen bestimmt also die Größe der Spannung der Batterie 201, während ihre Polarität in der Polarität des Gleichstrommittelwertes der Ausgangswechselspannung abgebildet wird.

Auch die Einrichtung nach F i g. 5 ist mit Vorteil für Regelzwecke anwendbar, und zwar insbesondere dann, wenn die zu verarbeitende Größe im Lauf der Regelung das Vorzeichen wechselt. Die Größe wird in einer Rechteckspannung mit veränderlichem Tastverhältnis umgewandelt, deren Gleichstrommittelwert die Polarität angibt.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere sind an Stelle der angedeuteten Transistoren vom Typ NPN bei geeigneter Schaltungsabwandlung auch Transistoren anderen Typs verwendbar.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Selbstgesteuerter Wechselrichter mit zwei im Gegentakt auf die Primärwicklung eines Transformators arbeitenden Transistoren, deren Steuerelektroden derart mitkoppelnd an sekundäre Steuerwicklungen des Transformators angeschlossen sind, daß jeweils der sich öffnende Transistor während seiner gesamten Öffnungszeit ein Öffnungspotential und der andere Transistor während der gleichen Zeit ein Sperrpotential erhält und die Umsteuerung der beiden Transistoren durch in den Steuerwicklungen induzierte Spannungen entgegengesetzter Richtung eingeleitet wird und zum Erzielen der Steuerspannung der Transformator ein Kern aus einem Material mit im wesentlichen rechteckiger Hystereseschleife besitzt und der Kern zur Sättigung innerhalb des Bereiches der Primärspannung bemessen ist, nach Patentanmeldung W16284 VIII b/21 d² (deutsche Auslegeschrift 1171983) mit einer geteilten Transformator-Primärwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärteilwicklungen des Transformators an verschiedene Gleichspannungsquellen unterschiedlicher Spannung angeschlossen sind.

2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Gleichspannungsquelle der einen Teilwicklung zugeordnet ist und beide Gleichspannungsquellen der anderen Teilwicklung zugeordnet sind.

3. Wechselrichter nach den Ansprüchen 1 und 2, insbesondere als Zweipunktregler, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der beiden Gleichspannungen veränderbar ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 766 868;
Zeitschrift »AJEE-Transactions«, März 1955,
S. 111 bis 121.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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