DE1613679A1

DE1613679A1 - Leistungswandlerschaltung

Info

Publication number: DE1613679A1
Application number: DE19671613679
Authority: DE
Inventors: Morgan Raymond Evan
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1966-05-20
Filing date: 1967-05-11
Publication date: 1970-12-23
Also published as: GB1182652A; US3414797A

Description

GSIiBRAL KLBOTRIG GOMPAKY, ü.chene c t ady, IUI., USA

Leistungswandlerschaltung" . 1613679

Die Erfindung betrifft eine. Leistungswandlerschaltung«

Pur zahlreiche S teuer zwecke werden zur Zeit überwiegend Leistungshalbleiterbauelemente Verwendet, Zu diesen Bauelementen gehören auch Thyristoren. Zu den Thyristoren zählen wiederum der steuerbare Gleichriehter, der Triac und der Diac. Diese Bauelemente werden, nachdem sie einmal in den leitenden Zustand gesteuert sind, dadurch wieder gesperrt, daß die Polarität der Spannung zwischen ihren Hauptanschlüssen bzw. die Richtung des über die Hauptanschlüsse fließenden Stroms umgekehrt wird. Dieses Umsteuern in den gesperrten Zustand wird hier mit "Kommutierung" bezeichnet. Entsprechend wird eine Schaltung, mit der dies bewirkt wird, als Kommutierungsschaltung bezeichnet.

Es gibt zahlreiche bekannte Kommutierungsschaltungen für Leistungshalbleiter nach Art des Thyristors, die für zahlreiche Leistungssteuerschaltungen befriedigend sind. Es gibt jedoch Leistungssteuerschaitungen, insbesondere solche, diemit hoher Freguenz.arbeiten sollen, bei denen bekannte Kommutierungsschaltungen nicht zufriedenstellend sind. Der Grund dafür ist darin zu sehen, daß bei vielen zur Zeit im Handel erhältlichen Thyristorbauelementen die Spannung nicht wieder sehr schnell (mit hohem du/dt·) angelegt oder der Strom sehr schnell (mit hohem di/dt) geändert werden darf, ohne spezielle Dämpfungsbauelemente (softening components) zu verwenden. Derartige Bauelemente haben 3edoch Wärmeverlust ^:e, insbesondere bei hohen Frequenzen, zur Folge. Um diese Schwierigkeiten zu beseitigen, wurden spezielle,"weiche" Komrautierungaschaltungen; entwickelt,

Die meisten= Kommutierungsschaltungeii benötigen zumiridest eine geringe induktive Reaktanzzur Kommutierung* Bei einem

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großen Teil bekannter Kommutierungsschaltungen ist sogar an zwei oder mehreren Stellen in«der Schaltung eine induktive Reaktanz erforderlich. Dies gilt insbesondere für weiche Komrautierungsschaltungen, bei denen neben irgendwelchen !Piltern oder ausgangsseitifren Transformatorinduktivitäten, die erforderlich sein können, sowohl eine Dämpfungs- als auch eine Resonanzindu'k-tivität erforderlich ist. Dadurch, daß an all diesen Stellen induktive Reaktanzen erforderlich sind,' wird eine derartige Leistungswandlerschaltuhg unhandlich, d. h. sie benötigt viel Platz, und kostspielig,.wenn an allen Stellen der Schaltung, an denen induktive Reaktanzen erforderlich sind, einzelne induktive Bauelemente verwendet werden.

Gemäß der Erfindung werden diese Nachteile dadurch beseitigt, daß eine Thyri-storleistungswandlerschaltung geschaffen wird, die ein multifunktioneiles induktives Bauelement mit vorbestimmter Streuinduktivität enthält, die sämtliche magnetischen Punktionen der Leistungswandlerschaltung, z.B. die ausgangsseitige-Transformation, das Dämpfen, das Mitschwingen in Resonanz, Filtern, Potentialfreimachen des Ausgangs usw. integriert, d.h. in sich vereinigt.

Außerdem sorgt die erfindungsgemäße Thyristor-Leistungswandlerschaltung für eine weiche Kommutierung.

Die Erfindung wird nun auch anhand der Abbildungen von Ausführung sbeidp ie len näher beschrieben, wobei alle aus der Beschreibung und den Abbildungen hervorgehenden Merkmale zur Lösung der Aufgabe im Sinne der Erfindung beitragen können und mit dem Willen' zur Patentierung in die Anmeldung aufgenommen wurden.

Fig. 1 ist das Schaltbild einer Leistungswandlerschaltung, die eine integrierte Induktivität enthält und auch für eine weiche Kommutierung sorgt.

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Fig. 2 zeigt eine der Schaltung nach Figur 1 äquivalente . . Schaltung.

Fig. 3a bis 3d- zeigen'schematisch den Aufbau eines integrierten multifunktioneIlen induktiven Bauelements gemäß der Erfindung, das in der Schaltung nach Pig-. 1 verwendet wird«

Pig. 4a und 4b zeigen den Verlauf von Spannungen in Abhängigkeit von der Zeit und

Pig. 4c zeigt die Stromspannungskennlinie der Schaltung nach Figur 1. ·

Fig. 5 ist das Schaltbild einer Leistungswandlerschaltung für kleinere Leistungen, die ein integriertes induktives Bauelement enthält und auch für eine weiche Kommutierung sorgt.

Fig. 6 ist das Schaltbild eines Leistungswandlers» bei dem die Spannung des Thyristoren begrenzt wird.

Pig. 7 ist das Sehaltbild einer anderen Leistungswandlerschaltung gemäß der Erfindung mit einem Spartransformator im Ausgangskreis.

Fig. 8 ist das Schaltbild einer anderen Ausführung der Erfindung mit integrierter Induktivität ohne weiche Kommutierung.

Fig. 9 ist das Schaltbild eines Leistungs-Wechselrichters mit einem integrierten induktiven Bauelement.

Pig. 10 ist das schaltbild einer Leistungs-Wechselrichterschaltung mit einer neuen Autoimpulskommutierung und einem integrierten induktiven .bauelement.

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Pig. 11 ist das Schaltbild einer Leistungs-Wechselrichterschal tung mit einer MacMurray-Kommutierungsschaltung und einem integrierten induktiven .Bauelement.

JPig. 12 zeigt einen Dreiphasen-Leistungswandler mit weicher Kommutierung und integrierten induktiven Bauelementen.

Pig. 13 zeigt eine abgewandelte Ausführung der Schaltungsan-" • Ordnung nach Pig. 1 mit antiparallel geschalteten steuerbaren ü-leichrientern als Thyristoren.

Die in Pigur 1 gezeigte Leistungswandlerschaltung enthält einen integrierten multifunktionellen Ausgangstransformator 33 mit zwei in der Mitte angezapften Primärwick"¹ ungen 34a, 34b und 35a, 35b. Die beiden Primärwicklungen sind induktiv mit einer Sekundärwicklung 36 gekoppelt. Der Transformator 33 ist derart ausgebildet, daß die Primärwicklungshälften 34a, 34b und 35a, 35b sowie die Sekundärwicklung 36 über Streuinduktivitäten gekoppelt sind, und die Mittelabgriffe der Wicklungshälften 34a, 34b und 35a, 35b sind über eine Leitung 5 galvanisch miteinander verbunden*

Der Aufbau eines derartigen integrierten Ausgangstransforraators ist in den Pig. 3a und 3d dargestellt. Pig. 3a zeigt, wie die beiden Primärwicklungshälften 34a, 34b und 35a, 35b auf einem einzigen Magnetkern 37 angeordnet sind und wie ihre Mittelabgriffe durch die Leitung 5 verbunden sind. Die Eingangsanschlüsse 1, 2, 3 und 4, die in Pig. 3a zu sehen sind, entsprechen den mit gleichen üezugszahlen versehenen Anschlüssen, die in Pigur 1 gezeigt sind. Es sei darauf hingewiesen, daß die Windungen der einzelnen Wicklungshälften 34a, 34b und 35a, 35b ziemlich lose gewickelt sind, um zu gewährleisten, daß eine gewisse Streuinduktivitätskor>plung zwischen den einzelnen 'windungen dieser Wicklungen auftritt. Die Größe der Streuinduktivitätskopplung wird empirisch bei der Herstellung des Transformators bestimmt, wach Fertigstellung der in Pig. 3a gezeigten Anordnung wird vorzugsweise ein Isolierband herumgewickelt, um zu gewährleisten, daß sich die

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Windungen der Primärwicklungshälften nicht verrücken. Danach werden die Sekundärwicklungshälften 36a und 36b der Sekundärwicklung 36 in der in den Figuren- 3b bis 3d gezeigten Weise, um den ·· Kern gewickelt. .

In den Fig.. 3b, 3 c und 3d entsprechen die Anschluß punkte 1 bis 5 den mit gleichen Bezugszahlen versehenen Anschlüssen in ü'ig. 3a und Ji¹Xg. 1. Die Schaltungsanordnung nach Figur 3b liefert eine voriweggleichgerichtete Äusgangsspannung mit Hilfe eines Zweiweggleichrichters, bestehend aus Dioden 45 und 46, und eines G-lättungskondensators 47* Bei der Schaltung sahOrdnung nach Ji¹Ig. 3c sind die üekundärwicklungshälften 36a und 36b hintereinander geschaltet* W eine höhere ausgangsspannung zu erhalten. Es sei darauf hingewiesen, daß bei der in Figur 3b gezeigten Schaltungsanordnung an den- Ausgangsanschlüssen der ;5ekundärwicklungshälften eine Wechselspannung erscheint. Bei der in Figur 3d gezeigten Schaltungsanordnung sind die beiden Wicklungshälften 56a und 36b parallel geschaltet, um einen, größeren Ausgangsstrom zu erzielen. Wenn man will, kann man einen Brückengleichrichter 48, .wie er in Ji¹IgUr 3d in gestrichelten linien dargestellt ist, an die Ausgangsanschlüsse der !Sekundärwicklungen anschließen, wenn der Verbraucher mit Gleichstrom gespeist werden soll. Man sieht also, daß die Ausgangsspannung der erfindungsgemäßen Leistungswandlerschaltung durch entsprechende Umschaltung der Sekundärwicklungshälften bzw, durch entsprechende Beschaltung mit Gleichrichtern in jeder gewünschten Weise geändert werden kann. , _: ■

Hun zurück zu -Figur 1. Wie man sieht, ist die eine Primarwieklungshälfte 34a über einen ühyristor, bestehend aus einem steuerbareil Siliziumgleichrichter 15, mit einem ütrömversorgungsanachluß 18 verhunden. Anstelle des steuerbaren üiliziumgleichrichifcers 15 können auch andere Thyristoren, z.B. die inzwei !Richtungen durohsteuerbareSehaltdiode (Diac) oder die in zwei Richtungen durchsteuerbare Schalttriode (Iriao), ver-

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wendet Aver den. hex der Schaltungsanordnung nach .Figur 1 wird jedoch ein steuerbarer Siliziumgleichrichter (silicon controlled rectifier, weiterhin mit EjCR abgekürzt) verwendet. Eine Rückführdiode 37 ist in an sich "bekannter V/eise zum SCR 15 antiparallel geschaltet. Ein zweiter Leistungsthyristor, bestehend aus einem dCR 15'» liegt. zwischen dem anderen Stromversorgungsanschluß 19 und derjenigen Wicklungshälfte 35a der zv/eiten Primärwicklung, die neben der Primärwicklungshälfte 34a der ersten Primärwicklung liegt.

iiin erster Kommutierungskondensator 23 liegt in Reihe mit der verbleibenden Wicklungshälfte '34b der ernten Primärwicklung, und die so gebildete Reihenschaltung liegt zwischen dem l'jittelabgriff 5 und dem erstgenannten Stromversorgungsanschluß 18, Ein zweiter Kommutierungskondensator 27 liegt ebenfalls zwischen dem I-iittelabgriff 5 und dem Anschluß 18. Die obere Hälfte der in Pig. 1 gezeigten Leistungswandlerschaltung wird durch eine Entkopplungsdiode 24- vervollständigt, die zwischen dem Verbindungspunkt von SCR 15 und Wicklungshälfte 34a und dem. Verbindungspunkt von Kondensator23 und Wicklungshälfte 34b liegt. Diese Entkopplungsdiode 24- ist derart gepolt-, daß ihre Kathode oder ihr Emitter mit der Kathode er dem Emitter des SCR 15 verbunden ist.

Die untere Hälfte der in Figur 1 gezeigten Leistungswandlerschaltung enthält einen dritten· Kommutierungskondensator 23% der in Reihe mit der verbleibenden Wicklungshälfte 35b der zweiten Primärwicklung liegt, wobei diese so gebildete Reihenschaltung zwischen dem Mittelabgriff 5 und dem anderen StromversQigungsanschluß 19 liegt. Ein vierter Kommutierungskondensator27' liegt zwischen dem Mittelabgriff 5 und dem Anschluß 19. Eine zweite Entkopplungsdiode 24' liegt zwischen dem Verbindungspunkt von SCR 15' und seiner Wicklungshälfte 35a und dem Verbindungspunkt des dritten Kommutierungskondensators 23' mit der Wicklungshälfte 35b. Auch zum zweiten 15' ist eine Rückführdiode 38 antiparallel geschaltet.

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Die Wirkungsweise der in Figur 1 gezeigten Schaltungsanordnung läßt sich am besten in Verbindung mit der äquivalenten in Figur 2 gezeigten Schaltungsanordnung verstehen» In Figur 2 sind die äquivalenten Bauelemente, die den Bauelementen der Schaltungsanordnung nach Figur 1 entsprechen, mit gleichen Bezugszahlen versehen. Die Stromversorgungsanschlüsse. 18 und 19 liegen an einer Gleichstromquelle, und zwar der Anschluß 18 am positiven«und der Anschluß 19 am negativen Pol. Der Anschluß 19 kann auch geerdet sein. Unter diesen Voraussetzungen sei ferner angenommen, daß beide SCRs 15 und 15V gesperrt sind und gerade ein Arbeitsspiel beendet is:fc. In diesem Zustand sind beide Kommutierungskondensatoren 23 und, 27 auf der mit einem Punkt versehenen Seite negativ geladen. Beim Einsehalten, auch Durchsteuernoder Zünden genannt, des SCR 15 wird beiden Kommutierungskondensatoren 23' und 27' des SCR 15' Ladestrom zugeführt, da diese beiden Kondensatoren beim vorangegangenen Arbeitsspiel entladen wurden. Gleichzeitig wird der Kondensator 27 über den geschlossenen Stromkreis, der die Wicklungshälfte 34a und ihre Parallelstreuinduktivi*- tät 34ae zusammen mit der in Reihe liegenden Streuinduktivi-" tat I6e enthält, oszillierend umgeladen. Für diesen Zweck wird die Gesamtinduktivität des geschlossenen Stromkreises durch die_: beiden Streuinduktivitäten" 16e und 34ae derart abgeglichen, daß die Reihenresonanzfrequenz· dieses Stromkreises auf die Kommutierungsfrequenz der Schaltungsanordnung abgestimmt ist. Es sei darauf hingewiesen, daß die Schaltung auf Frequenzen zwischen 5 bis 40 Kilohertz ausgelegt ist, so

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daß nur eine sehr kleine Streuinduktivität erforderlich ist,

um den gewünschten Reihenresonanzeffekt zu erEielen.

liach dem Umladen des Kommutierungskondensators 27 laden sich beide Kommutierungskondensatoren 23 und 27über den aus der Reihenschaltung der beiden Ivommutierungskohdensatoren 23 und 27, der Viicklungshälfte 34b, ihrer zugehörigen prrallel ge-^ schalteten otreuinduktivität 34be und der inReihe geschalteten Streuinauktivität 26e bestehenden Stromkreis um. In die-

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sem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß die beiden parallel geschalteten S^reuinduktivitäten 34ae und 34be zur verringerung der Gesamtinduktivität der Wicklungshälften 34a und 34b dienen, um den gewünschten Reihenresonanzabstimmeffekt zuerzielen. JJie otreui"nduktivität 26e dient deshalb in an sich bekannter Weise zur Umladung des Kommutierungskondens^tors Fach Umladung des Kondensators 23 wird die Entkopplungsdiode 24 leitend, so daß eine Spannung mit umgekehrter Polarität an die Hauptanschlüsse des üGR 15 gelegt wird und ihn sperrt.

J,ach dem Sperren des bCR.15 dient der Kommutierungskondensator 23 zur Begrenzung der .Anstiegsgeschwindigkeit der wieder an den oCR in Durchlaßrichtung angelegten spannung, um dadurch einen v/eichen Kommutierungseffekt zu erzielen, in ähnlicher Weise dient die Streuinduktivität I6e nach dem Sperren des üCR 15 zur .begrenzung .der rinstiegsgeschwindigkeit des Stroms (di/dt), der durch diesen oCR fließt, um df=·durch die gewünschte ütromdämpfung zu erzielen. Die schwingungen der in der Sekundärwicklung 36 induzierten Ausgangsspannung werden von urosselspulen 21 e und 21 e"1, die von ütreuinduktivitäten zwischen der Primär- und der bekundärwicklung gebildet werden, etwas gefiltert bzw. geglättet. Die Streuinduktivitäten I6e 34as, 34be und 26e werden alle durch Streuinduktivitäten zwischen den beiden Primärwicklungshälften 34a,- 34b,.. 35a und 35b und der Sekundärwicklung 36 gebildet.

Nachdem der SCR 15 in .der oben beschriebenen V/eise gesperrt wurde, wird der SCR 15' durch Zuführen eines Zündsgnals über seinen Steueranschluß aus einer geeigneten Zündsignalquelle durchgesteuert bzw. gezündet. Iiach dem Zünden des SCR 15' hat die untere Hälfte der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Leistungswandlerschaltung, die aus den mit einem Beistrich versehenen Bauelementen besteht, genau die gleiche Funktion bzw. genau den gleichen Wirkungsablauf, wie die beschriebene obere Hälfte der Schaltung. Der einzige Unterschied hinsicht-

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lieh der Wirkungsweise zwischen den "beiden SchalturLgBhalf ten besteht darin, daß die an der Sekundärwicklung 36 beim Durchsteuern und dem anschließenden Sperren des GCH 15 '^ erscheinende Spannung die entgegengesetzte Polarität zu der vom SCR 15 bewirkten Ausgangsspannung hat. Infolgedessen erscheint an den Anschlüssen der Sekundärwicklung 36 eine Wechselspannung. " · . - .

Fig. 4~a zeigt den Verlauf der Ausgangs spannung der Schaltung nach Figur 1 für verschiedene Belastungszustande. Bei ITennbelastung hat die Aus gangs spannung den durch die Kurve .e-^j dargestellten Verlauf, wobei t* der Zündzeitpunkt des SCR undtp der Sündzeitpunkt des SCR 15' ist.Die Kurve e'-^γ stellt den Verlauf der Ausgangsspannung des AusgangstransformatOrs dar, wenn die Schaltung entweder im Leerlauf oder im Kurzschluß betrieben wird. Man. sieht also, daß die Schaltung sich selbst schützt, weil keine starken Hochspannungsstoße auftreten, die die Thyristoren zerstören wurden. Der G-rund dafür, daß die Schaltung in dieser Weise arbeitet, besteht darin, daß die Frequenzbereiche, auf die die Schaltung ausgelegt, ist, die Betriebsfrequenz und die Kommutierungsfrequenz, so dicht beieinander liegen, daß infolge eines Kurzschlusses oder im Leerlauf in der ochaltung gespeicherte ISnergie im leitenden Zustand der SCRs in den Kommutierungsbauelementen, gespeichert werden kann und wird, ohne die Thyristoren zu beschädigen. '

Figur 4b zeigt, wie die von der Schaltung abgegebene Leistung durch Änderung des relativen Zündwinkels der beiden üGRs 15 und 15' geändert 'werden kann. .Wie schon gesagt, wurde vorausgesetzt, daß der u>CIi 15' nicht eher gezündet wird, als bis der oCR 15 vollständig gesperrt ist. Diene Betriebsart der ochalt'ung wird durch die Kurve e™.,wiedergegeben, wobei der uU'i 15 im Zeitpunkt t,/ gesperrt und der LiCR- 15' im Zeitpunkt tg gezündet wird, ijurcn Änderung der Zeitspanne zwischen t, und to kann die von der οehaltung gegebene Leistung fast bis auf Hull heruntergeregelt werden. ITm die von der Schaltung

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abgegebene Leistung zu erhöhen, kann der Zündzeitpunkt tp den SCR 15' soweit vorgeschoben -werden, daß er entweder mit den Zeitpunkt t_v, indem der SCR 15 völlig gesperrt ist, zusammenfällt oder unmittelbar davor liegt.. Der Betrag, um den der Zündwinkel des'SCR 15' vor den Zeitpunkt, in dem der SCR 15 völlig gesperrt ist, geschoben werden kann, ist jedoch begrenzt. Diese Betriebsart der Schaltung wird durch den Kurvenverlauf e_pp ^er Ausgangs spannung wiedergegeben, wobei der Zündzeitpunkt des SCR 15' mit dem Sperrzeitpunkt des SCR 15 zusammenfällt. Figur 4-c zeigt .die'Ausgangsspannung in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom der Schaltungsanordnung nach Fig.1 und veranschaulicht den Einfluß von Änderungen des relativen Zündwinkeis der steuerbaren Siliziumgleichrichter auf die Ausgangsleistung der Schaltung. Die gestrichelte Kurve e-,~r stellt die Kennlinie dar, die man erhält, wenn der Zündwinkel des SCR 15' soweit verschoben wird, daß die Schaltung im Autoimpulsbetrieb arbeitet, bei dem der SCR 15' vor dem Sperren des SCR 15 gezündet, wird, und umgekehrt. Selbst bei dieser Betriebsart erfolgt die Kommutierung nahezu in der gleichen" Weise, v/ie beschrieben.

Die Vorteile der Erfindung erhält man auch bei einer abgewandelten Ausführung der in Figur 1 gezeigten Schaltungsanordnung, bei der mehrere steuerbare Gleichrichter in Reihe geschaltet sind und" gleichzeitig gezündet werden. Zu jedem SCR 15 ist eine Rückführdiode 37 "antipar-fllel geschaltet und ein lastauftellungswiderstand parallel geschaltet. Bekanntlich hat"die Reihenschaltung mehrerer Thyristoren den Zweck, di-e zulässige Spannung einer Schaltung, in der Thyristoren verwendet werden, zu erhöhen. Die Wirkungsweise dieser abgewandelten Schaltung ist ähnlich der der in Figur T gezeigten Schaltung. Die Sekundärwicklung eines Transformators kann zweckmäßigerweise in Reihe zur Rückführdiode 38e geschaltet werden, wenn der Diode 38 gleichzeitig mit dem Zünden des üCR 15 * ein Entkopplungsimpuls zugeführt'werden soll,'.um zu gewährleisten, daß die Diode 38 im leitenden Zustand des SCR ' 15· gesperrt ist. .

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Figur 5 zeigt,eine weniger kostspielige Ausführung der erfindungsgeinäliSen. Leistung swandlersehaltung, die für geringere . i\ienn.l.eistung geeignet ist. JJjLe Schaltungsanordnung nach l''igur 5 l-ümelt in vieler Hinsicht der Schaltung nach .Pir.ur 1, mit -der Ausnahme, daß der integrierte multi£unktioneile Transformator 33 mit zv/ei Primärwicklungsstellen 34a und 35a versehen ist, die nicht mit llitteläb^riff, wie bei der Anordnung nach Ji'igur 1, versehen sind. Außerdem sind die mit einem Punkt versehenen Seiten der b'eiden Kommutierungskondensatoren 23 und 23' über ein nichtkapazitives Impedanzbauelement, z..B. ■ einen Yfiderstand .48 oder eine opule 49_r die durch gestrichelt te Linie dargestellt ist, miteinander verbunden. Wenn die .Aus gangs spannung des. Grleichstromversorgungsgeräts., an die der in !!'igur 5 gezeigten Jjeistungswandler angeschlossen werden soll, nicht gefiltert bzw. geglättet ist, kann es zweckmäi3ig sein, ein PiIter in Form eines, veränderbaren Widerstands 51 (oder einer nicht gezeigten i/ros seispule) und eines Kondensators 52, wie dargestellt,, zwischen die otromversorgungsanschlüsse 18 und 19 zu schalten-und die Speisespannung der oehaljungsanordnung am Kondensator 52 abzügreifen. Außerdem wäre es wegen der Art der Schaltungsanordnung nach Pigur 5 wünschenswert, die beiden Sekundärwicklungshälften^:36a und 36b nit Hilfe von Dioden 39s-, 39b und 41a, 41b, die in der dargestellten Vfeise geschaltet sind, als Zweiweggleichrichterschaltung an einen G-lättungskondensator 42 zu legen.

Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnungnach*Figur 5 ähnelt v/eitgehend der der in Figur 1 gezeigten Schaltungsanordnung, mit der Ausnahme, daß nach dem Umladen des Kondensators 27, so daß also die mit einem Punkt versehene Seite des Kondensators positiv geladen ist, das Umladen des Kommutle-rungskondensa/tors 23 etwas anders ist. Nachdem sich der Kondensator 27 in der Schaltungsanordnung nach Figur 5 umgeladen hat, laden sich beide Kondensatoren über den Stromkreis, der die beiden Kondensatoren 23 und 27, die nichtkapazitive Impedanz

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48 öder-4-9, "die Entkopplungsdiode 24 und die induktive Reaktanz des Ausgangstransformators 33 enthält, um. Auch hier liegt wieder parallel zur induktiven Reaktanz der Primärwicklung 35a.die Streuinduktivität zv/ischen den beiden Primärwicklungen 34a urid 35a und der Sekundärwicklung 36, wobei die Gesamtinduktivität der Schaltung zur Reihenresonanzabstimmung des geschlossenen Stromkreises auf die Kommutie- . rungsfrequenz der.Schaltung dient. Ansonsten ist die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach Figur 5 im Prinzip gleich der der Schaltungsanordnung nach Figur 1.

Figur 6 zeigt eine Ausführung der Erfindung, die der in Figur 1 gezeigten ähnlich ist, mit der Ausnahme, dp.ß Begrenzungsdioden 53 und 54 vorgesehen sind. Die Begrenzungsdiode

53 liegt in Reihe zum SCR 15' zwischen den Stromversorgungs*- anschlüssen 18 und 19. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Begrenzungsdiode 53 umgekehrt gepolt ist wie der SCR 15', d.h. daß die. Anode der Diode 53 mit der Anode des SCR 15' und die Kathode der Diode mit dem Stromversorgungsanschluß 18 verbunden ist. In ähnlicher Weise liegt die Begrenzungsdiode

54 gegensinnig in Reihe zum SCR 15, jedoch ist ihre Kathode mit der Kathode des SCR 15 verbunden. Aufgrund dieser Schaltungsanordnung gewährleisten die beiden Begrenzungsdioden 53 und 54, daß die an den beiden SCRs 15 und· 15 '· anstehende Spannung niemals den Wert der Speisespannung E überschreitet. Dadurch daß die Begrenzungsdioden 53 und 54 vorgesehen sind, können die gestrichelt dargestellten Rückführdioden 37 und 38 vorgesehen sein oder weggelassen werden. Ansonsten ist die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach Figur 6 weitgehend gleich der der Schaltungsanordnung nach Figur 1, so daß sich eine weitere Beschreibung ihrer Wirkungsweise erübrigt.

Figur 7 zeigt eine gemäß der Erfindung ausgebildete tastverhältnisgesteuerte Stromvernorgungsschaltung (auch Zerhacker genannt) mit weicher Kommutierung und integriertem induktivem Bauelement 55· Das hier verwendete Bauelement 55 enthält mehrere Wicklungen 16, 26, 55a und 55b, die alle um einen Ma-

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gnetkern gewiekelt S-InCt₁ so daß äieses Bauelement 55 praktisch, ein'einziges multifunktionelies induktives Bauelement darstellt. :

Die Schaltungsanordnung nach I¹IgUr 7 enthältCerner einen SCR 15 und einen V erbr au eher 22, die mit eineni Wicklungsteil 16 des induktiven Bauelements 55 in Reihe-geschaltet an den/ Stromversorgungsanschlüssen 18 und 19 liegen.'^EIn erster Aus-' laufgleichrichter 17a liegt lh Reihe mit einem Wiffklun^steil 55a an einer zweiten Reihenschaltung, die einen zweiten Auslauf gle iehrichter 17"b und einen, ¥iGklungste^il 55^; enthält ζ Beide Reihenschaltungen liegen also parallel zum verbraucher 22. Ein erster Kommutierungskondensator 723 liegt in:Reihe mit einer Entkopplungsdiode 24 am SCR T5i und der Yerbindungspunkt von KommutierungskondensatOr 25 und Entkopplungs— diode 24 ist über einen Wicklungsteil 26 des; induktiven Bauelements 55 und einen zweiten Kommutierungsfcondehsator mit dem Anschluß' 18 verbunden. Der \/erb;indungspunkt von Kornmutierungskondensatpr 27, erstem Auslaufgleiehrichter 17a, dem Windungsteil 55a und dem Windungateil 26 "bildet einen gemeinsamen Verbindungspunkt fur alle diese Bauelemente·

Die Wirkungsweise der schaltung nach Figur 7 ist folgende: Zunächst wird vorausgeschickt, daß bekanntlich die Aufgab"e einer tastverhältnisgesteuerten Stromversorgungsschaltung (oder eines Zerhackers) darin besteht, die Verbraucherleistung durch Steuerung der Einsehaltdauer des SGR 15 derart proportional zu steuern, daß die\ Anforderungen des Verbrauchers befriedigt werden. -Bei der Sohaltungsanordnung, nach !•'igur 7 ist die Einschaltdauer des üCR 15 fest,: da das Einschalten des ÜÖR auchautomatisch seine Sperrung auslöst. Mithin wird die dem Verbraucher zugeführte Leistung dadurch ge steuert, daß die !''reauenz,' mit der der SOR 15 ein-p und ausgeschaltet wird, gelindert wird. .

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Angenommen, der öGR 15 befinde sich, im gesperrten, nichtleitenden Zustand, dann wird der Verbraucherstrom über die beiden· Auslaufgleichrichter 17a und 17b und die beiden Wicklungshälften -55a und 55b durch den verbraucher geleitet. Infolge des Einflusses der !''ilterinduktivität, die sich, durch die ötreuinduktivität des induktiven Bauelements 55 ergibt, zirkuliert der Verbraucherstrom« Die Kommutierungskondensatoren 23 und 27 sind da.nn auf die volle opeisegleichspannung aufgeladen, und zwar negativ auf der mit einem Punkt versehenen oeite. Sobald der oUR 15 in den leitenden Zustand gesteuert ist, werden die Auslaufgleichrichter 17a und 17b gesperrt, und die in der drosselspule 16 gespeicherte Energie wird in den Kommutierungskondensator 27 geleitet, um diesen umzuladen. ITm dies zu erreichen, ist die Gesamtinduktivität der Drosselspule 16, der Wicklungshälfte 55a und der Streuinduktivität der Wicklungshälfte 55a und der Drosselspule 16 derart bemessen, daß die Reihenresonanzfrequenz der Gresamtinduktivität der Schaltung und des Kommutierungskondensators 27 gleich der Kommutierungsfrequenz der Schaltung ist. Nach. Umladung des Kondensators 27 laden sich beide Kondensatoren 23 und 27 über den die Komrautxerungskondensatoren 23 und 27 und den Drosselspulenteil 26 enthaltenden Stromkreis um. Auch hier ist der Drosselspulenteil 26 derart ausgelegt, daß die Reihenresonanzfrequenz dieses geschlossenen Kreises gleich der Kommutierungsfrequenz ist. Nach der Umladung des Kondensators 23 ist der Kondensator auf der mit einem Punkt versehenen Seite positiv geladen, so ,daß die Entkopplungsdiode 24-leitend, über die Hauptanschlüsse des SGR 15 an diesen eine Sperrspannung gelegt und er dadurch gesperrt wird. Damit ist ein Arbeitsspiel beendet. Es sei auch darauf hingewiesen, daß die Drosselspule 16 und die Wicklungshälfte 55b einen Spartransformator bilden, so daß die dem Verbraucher 22 zugfifiihrte iJpannung aufwärts oder abwärts transformiert werden kann. Darnun ersieht man, daß dan induktive Bauelement 55 inoofern als multifunktionelles integriertes Bauelement wirkt, als es gleichzeitig als Dämpfungsglied, Filterglied und Transformatorinduktivität wirkt, wie dies bei der Schaltung erfor-.

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Figur 8 zeigt eine erfindungsgemäße tastverhaltnisgesteuerte Stromversorgungsschaltung, bei der integrierte induktive Bauelenente -verwendet .v/erden, jedoch keine weiche Kommutierung vorgesehen ist. Bei der Schaltungsanordnung nach Figur 8 liegen ein Verbraucher 22 und ein SCR 15 in Reihe an zwei Stromversorgungsanschlüssen 18 und 19 und zwischen ihnen ein integriertes, multifunktionelles induktives Bauelement 56⁷. Das multifunktiönelle induktive Bauelement 56 ist auf einen einzigen Magnetkern gewickelt und hat zwei Windungsteile 56a und,56b, deren Windungen ebenfalls induktiv über einen Streufluß gekoppelt sind. Der Wicklungsteil 56b liegt in Reihe mit dem SCR 15 und dem Verbraucher 22 und wirkt zusammen mit seiner Streuinduktivität als Filterinduktivität in der tastverhältnisgesteuerten Schaltung, während der Verbraucherstrom über'""den Verbraucher und den .auslauf gleichrichter 17 fließt. Der Wicklungsteil 56a und seine zugehörige Streuinduktivität liegt in Reihe mit dem Kommutie-' rungskondensator 23 am SCR 15*

Während des Betriebs wird der Komnutierungskondensator 23 im gesperrten Zustand des SCR 15 auf die volle.Speisegleichspannung aufgeladen, und zwar derart, daß seine mit einem Punkt versehene Seite negative Polarität'erhält, jspoh dem Durch-

_i===steuern des üCR 15 lädt sich der Kondensator-23 um, so daß die mit einem Punkt vernehene Seite positiv wird, jjiese Umladung erfolgt in-1'¹OTm einer Schwingung über den geschlosseneu Stromkreis, der den KommutierungskOndensa,tor 23, den Wicklungsteil 26a und seine zugehörige Streuinduktivität sowie den SCR 15 enthält. Der.Wicklungsteil 56a und seine zugehörige Streuinduktivität sind derart r-us gelegt, daß dieser genchlossene Stromkreis eine Reihenresonanzfreq.uenz hat, die

" gleich der Kommutierungsfreq.uenz ist. .Nach der Umladung des Kondenoatorn i?3 wird der oGR 15 gesperrt und dadurch ein Arbeit fjijpiel beendet.Wenn man v/ill, kann man eine stromüperrende Vorrichtung, z.jj. eine Diode 57 und einen -antiparallel genchrilteten oCR 57' (in gentrichelten_ Umrißlinien dargestellt),, entvreder in der 'öchfiltnngisanordnung a oder b anntelle der

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j, BAD

direkten Verbindungnleitung zwischen den Kommutiorungfikondennator 23 und den. Wicklungsteil 56a mit den dargestellten Polaritäten schalten. Durch das Kinfügen der Diode 57 und des LiUH 57' erhält man eine bessere Entkopplung der verschiedenen Bauelemente der Sclmltung. Diese bessere Entkopplung erhält man auch durch Umkehr der Polaritäten der Diode 57 und des SCR 57^f, wie dies in dem rechteckigen Block links in Figur gezeigt ist. Ob diese Alternative oder die zuerst erwähnte verwendet wird, hängt von der Art des Verbrauchers 22 ab. Wenn der Verbraucher 22 relativ !stabil ist, d.h., wenn er „sich nur geringfügig und sehr langsam ändert, dann sollte die zuerst erwähnte Anordnung verwendet werden. Wenn der Verbraucher 22 sich jedoch schnell und stark von beispielsweise Leerlauf oder geringer Belastung bis auf volle Belastung in kurzen Zeitabständen ändert, dann sollte die andere Anordnung verwendet werden, die in dem Block links in Figur 8 gezeigt ist. Hit diesen Alternativanordnungen wird der Kommutierungskondensator 23 über die Diode 57 und den Verbraucher 22 auf das Potential der Speisespannung E' oder während der Zeitspanne, in der der Auslaufgleichrichter 17 leitend ist, geladen. Die Kommutierung wird dann durch Zünden des SCR 57' ausgelöst. "Es sei.auch darauf hingewiesen, daß bei der Schaltungsanordnung nach Figur 8 die Streuinduktivität für eine genügend hohe Reaktanz sorgt, so daß schnelleStromänderungen di/dt beim Einschalten des SCR 15 gedämpft werden. Ein den zuvor beschriebenen Schaltungsanordnungen äquivalenter du/dt-Schutz ist bei der Schaltungsanordnung nach Figur 8 jedoch ni'cht vorgesehen.

Bei der Schaltungsanordnung nach Figur 8 kann das induktive Bauelement 56 so geschaltet sein, daß es auch für eine Transformation des Ausgangssignals sorgt. Bei einer derartigen Schaltungsanordnung ist der zum Verbraucher 22 führende Leiter mit einem Zwisehenabgriffpunkt am induktiven Bauelement 5Jv verbunden, so daß es in drei Wicklungsteile geteilt

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wird. Dadurch, daß das induktive Bauelement? 56 auf diese Weise jge schal ire t wird, wirken die beiden Teile als in /den Ausgangskreis des SCR 15 geschalteter Spartransformator,/-eier die dem Verbraucher 22 zugeführte Spannung entweder.aufwärts oder abwärts transformiert. Der Wicklungsteil .56b wirkt auch als Filterinduktivität. ^: ■ .

Figur 9 zeigt eine billige Wechselrichterschaltung mit einem integrierten induktiven Bauelement,; bei dem,-jedoch keine vollständig weiche Kommutierung d-er Thyristoren vorgesehen ist. Diese Wechselrichterschaltung enthält zwei in Reihe zwischen den beiden Stromversorgungsanschlüss®³¹ Iß /und 19 liegende SCRs 15 und 15'. PaTallel zu beiden SCRs 45 und 15' liegen .-zwei in Reihe geschaltete Kommutierüngskond.ensa.toren 23 und 23'.Die aus einem Windungsteil 62a und/62bbestehende Primärwicklung eines integrierten induktiven .Bauelements 6'1 liegt zwischen einem Erdp.nschluß^: und dem Hittelabgriff der beiden Kommutierungskondensatoren 23 und 23v. Der Zwischenabgriff der Primärwicklung 62a, 62b ist mit dem Verbindung spunkt der SCRs 15 und 15' verbunden* An der .Sekundärwicklung 63 des induktiven'Bauelements "61 wird,eine Wechselspannung abgegriffen. ^: / ■ y

Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach Figur 9 ist folgende; Während der abwechselnd leitenden Zustände der SCRs 15 und 15' werden die Kommutierungskondensatoren 23' und 23" abwechselnd derart aufgeladen, daß die mit einem Punkt versehene Seite des Kommutierungskondensators 23 negativ und die mit einem Punkt versehene Seite des- Kömmutlerungskondensators 23' positiv ist. Wenn der S.CR 15 einge- ; schaltet ist, fließt über den Wicklungsteil 62a Strom und bewirkt, daß eine Halbwelle der Ausgangswechselspannung an der Sekundärwicklung 63 erzeugt wird. Gleichzeitig mit der Erzeugung dieser Ausga-ngsspannung ladt sich der Kondensator 23 über den geschlossenen Stromkreis um, der den Kommutierungskondensator 23, den Wicklungsteil 62b und den SCR 15 enthält. Der Wicklungsteil 62b ist derart ausgelegt, daß

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die sich mit dem Kömmutierungskondensator 23 ergebende Reihenresonanzfreciuenz gleich der Kommutierungsfrequenz ist. Nach Umladung des Kommutierungskondensators 23 ist der SCR gesperrt. Der umgekehrte Vorgang findet mit dem SCR 15' und seinem zugehörigen Kommutierungskondensator 23' statt, um die negative Halbwelle der Ausgangsspannung zu erzeugen. Wenn die Kommutierungszeitspanne der SCRs 15 und 15' unabhängig voneinander gesteuert werden soll, dann können Hilfslcommutierungs-SCRs 6Aa und 64b in die Schaltung eingefügt werden und mit geeigneten Hilfszündsignalen angesteuert werden, um die Kommutierungszeitspanne einzuleiten. Diese Bauelemente sind gestrichelt dargestellt, um zu zeigen, daß es sich um eine andere Ausführungsform der in Figur 9 gezeigten Schaltungsanordnung handelt. Es ist jedoch wesentlich, daß diese SCRs 6Aa, 6Ab in die vom Wicklungsteil 62 zum verbindungspunkt der Kommutierungskondensatoren 23 und 23' führende Leitung eingefügt werden. JiJs sei jedoch darauf hingewiesen, daß dieses integrierte multifunktionelle induktive bauelement 61 nicht nur als Ausgangstransformator, sondern auch als Resonanzinduktivität zur Kommutierung dient. Außerdem wird das •Ausgangssignal durch die induktivität des Ausgangstransfor~ mators gefiltert, während schnelle di/dt-ÄnderunfjPbeim Einschalten der SCRs gedämpft werden.

Mgur 10 zeigt eine erfindungsgemäße Wechselrichterschaltung mit Autoimpuls-Kommutierung und integriertem induktivem bauelement 65. JJieses Bauelement 65 ist mit Primärwicklungsteilen 66a, 66b und 66c versehen, die induktiv mit einer Sekundärwicklung 67 gekoppelt sind, an der die Ausgangsweahs'elspannung abgegriffen wird. Das induktive Bauelement 65 kann auf die gleiche Weise wie das nach Figur 3 hergestellt sein. ael der Wechselrichterschaltung nach ii'igur 10 sind zwei t>CRs 15 und 15' in Reihe mit dazwischen liegenden Wicklungsteilen 66b und 66c zwischen die btromversorgungsanschlüsse 18 und 19 geschaltet. Zwei Kommutierungskondensatoren 23 und 23' liegen ebenfalls in Reihe zwischen den Stromversorgungaan-

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Schlüssen 18 und 19 und parallel zu den oCRs 15, 15' und den Wicklungsteilen 66b und 66c. Der Verbindungspunkt der Kommutierung skond ens at or en 23 und 25 · ist mit einem Mittelabgriff der Wieklungsteile 66b und 66c und über den Wicklungsteil 66a mit Erde verbunden. Wenn die üehalturigsanordnung nach Figur 10 auch im Leerlauf betrieben werden soll, dann lcann ein zusätzlicher Wickl.ungst.eil 29 auf dem induktiven Bauelement 65 vorgesehen sein, i/ieser Wicklungsteil 29 ist in gestrichelten Linien dargestellt, um anzudeuten, daß es sich um eine Alternative handelt, und liegt in Reihe mit einer Diode 31 an^i&tromversorgungsanschlüssen 18 und- 19· Im Leerlauf werden, die Kommutierungskondensatoreh 23 und 23' von der zusätzlichen Wicklung 29 und der Diode 31 vorgeladen.

Die Wirkungsweise der Schaltung nach Figur 10 ist derart, daß der leitende UCR 15 vom .Einschalten des oCR 15' gesperrt wird, und umgekehrt. Die Wicklungsteile 66b und 66c sind derart ausgelegt, daß ihre G-e samt induktivität auf Reihenresonanz mit denKondensatoren 23' und 23 abgestimmt ist* Durch Umladung des Kondensators 23 wird der a CR 15 gesperrt. Während der anderen Halbwelle findet der umgekehrte Vorgang hinsichtlich des uCR-15' statt, -uadurch, daß die uCRs 15 und 15' abwechselnd leitend werden, wird in der Ausgangswicklung 67 eine Wechselspannung induziert. Auch hier dient das induktive Bauelement 65 nicht nur als Ausgangstransformator, sondern es liefert auch die gesamte von den Kommutierungsbauelementen der Schaltung geforderte Resonanzinduktivität.

Figur 11 zeigt eine erfIndungsgemäße V/echse!riehterschaltung mit integriertem induktivem Bauelement und Mac-Murray-Kommutierung. Die Schaltungsanordnung nach Figur 11 enthält zwei den Verbraucherstroin führende _uCRs 15 und 15' in Reihe zwischen zwei btromversorgungsanschlüssen 18 und 19. Zwei Hilfskommutierungs-üCRs 69 und 69' sind in ähnlicher Weise in Reihe zwischen die Anschlüsse 18 und 19 parallel zu den SGRs 15 und 15' geschaltet. Ein Kommutierungskondensator 23 liegt mit einem Anschluß am Verbindungspunkt der SGRs 69 und

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69'. Der andere Anschluß des Kommutierungskondensators 23 ist über einen v;icklungsteil 72b eines integrierten multifunktionellen induktiven Bauelements 71 mit dem Verbindungspunkt der BGRs 15 und 15' verbunden. JJieser Verbindungspunkt ist auch über einen Wicklungsteil 72a des Bauelements 71 mit Erde verbunden, nie Ausgangsleistung wird an der bekundärwicklung 73 abgenommen, die induktiv mit dem Primärwicklungsteilen 72a und 72b gekoppelt ist. Auch hier kann das integrierte induktive .Bauelement in ähnlicher Weise hergestellt feein wie das in Figur 6 gezeigte.

Während des Betriebs der Schaltungsanordnung nach Figur 11 werden die den Verbraucherstrom führenden !JCRs 15 und 15' abwechselnd ein- und ausgeschaltet, um den Verbraucher über den Primärwicklungsteil 72a zu speisen. Dadurch entsteht eine Wechselspannung in der Sekundärwicklung 73. Hierbei ist es jedoch wichtig, daß .der aGR 15' nicht eher eingeschaltet wird, als bis der b'CR 15 gesperrt ist, und umgekehrt. Um den oCR 15 zu sperren, wird der Hilfskommutierungs-SOR 69 eingeschaltet. Beim einschalten-'des HIlfstommutierungs-SCR 69 wird der Kondensator 23, dessen mit einem Punkt versehene üeite normalerweise negativ ist, über den geschlossenen otromkreis, der den dCR 69, den ,SCR 15 und den Wicklungsteil 72b enthält, wobei die Reihenresonanzfrequenz dieses v/icklungsteils und des Kommutierungskondensators 23 auf die Kommutierun^sfreq.uenz der ochaltung abgestimmt ist, umgeladen. Aufgrund der Umladung des Kommutierungskondensators 23 wird der den verbrauchter strom führende öCR 15 gesperrt. In der entgegengesetzten Hälfte des Arbeitsspiels findet ein ähnlicher Vorgang hinsichtlich des den νerbraucherstrom führenden ^CR 15' und des Hilfskommutierungs-oCR 69' statt., mit der Ausnahme, daß die Polarität der Spannungen am ivommutierungskondensator 23 umgekehrt ist. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß das integrierte induktive Bauelement 71 auch hier wieder nicht nur als Ausgangstransformator dient, sondern auch die in der

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BAD OBKStNAL

Schaltungsanordnung erforderliche Kommutierungsresonanzinduktivität bildet. Außerdem filtert es das Ausgangssignal an der Sekundärwicklung 73 "bis zu einem gewissen Grade.

Figur 12 zeigt einen dreiphasigen Leistungswandler.gemäß der Erfindung. Dieser Leistungswandler enthält praktisch drei einphasige Leistungswandlerschaltungen von der Art,' wie sie in Figur 1 gezeigt sind. Jeder dieser einphasigen Leistungswandler, die insgesamt, einen dreiphasigen' Leistun'gswandlerbilden, enthält e.in integriertes multifunktionelles induktives Bauelement 33<_t 332 ^oder 33-z, die genausowie bei der Schaltung nach Figur 1 mit zugehörigen den Verbraucherström führenden SCHs und Kommutierungskondensatoren·in Reihe geschaltet sind. Die richtige Zusammenarbeit der einzelnen Phasen der Schaltung wird jedoch durch entsprechende Verbindung der Entkopplungsdioden 24-.., 24g, 24- usw. der einzelnen Phasen mit der nächstfolgenden Phase gewährleistet. Diese Verbindung ist in der Weise hergestellt, daß der Leistungsthyristor irgendeiner Phase mit dem Kommutierungskondensator der nächstfolgenden Phase verbunden ist. So ist zum Beispiel der Leistungsthyristor 15£ eier zweiten Phase über 'die Entkopplungsdiode 24p mit dem Kommutierungskondensator 23-, der ersten Phase verbunden. Außerdem sind zwei Hilfskommutierungskondensatoren 23+ und 23'+, vorgesehen, die mit einem nichtkapazitiven Impedazbauelement, bestehend aus .einer- Spule 75, in Reihe geschaltet sind, und diese Reihenschaltung liegt an den Stromversorgungsanschlüssen 18 und 19« Die Entkopplungsdiode 24₁ -der einen Phase, nämlich der ersten 'Php se, liegt dabei zwischen dem Leisfungsthyristor 15-j und dem Hilfskommutierungskondensator 23^. In ähnlicher Weiße ist die Entkopplungodiadej 24'.j des Leistungsthyristors 15¹^ über den Hilfskornmutierüngskondensator 23¹^ angeschlossen. Dadurch daß die einzelnen Phasen des mehrphasigen Wandlerß in der angegebenen V/eise miteinander verbunden sind, bewirkt die in den Hilfa/-kommutierungskondensatoren 23^. und 23¹^ gespeicherte Energie, daß die erste Phase gesperrt wird, daß die in den Kommutierungakondensatoren der ersten .phase gespeicherte Energie die "^:" ^:— 009852/Q5U

• I BAD OR(QlNAW

zweite Phase sperrt usw. eine Phase nach der anderen, wodurch gewährleistet wird, daß die einzelnen Phasen in der richtigen Weise zusammenarbeiten. Was die in den Kommutierungskondensatoren der letzten Phase gespeicherte Energie betrifft, so können Dioden 76 und 76', wie' sie gestrichelt dargestellt sind, diesen Kondensatoren parallel geschaltet werden. Die Dioden 76 und 76' dienen dann zur Entladung dieser Kondensatoren, wenn die letzte Phase ein."Arbeite- · spiel durchläuft. .

Figur 15 zeigt eine abgewandelte Ausführung der Schaltungs"-anordnung nach Figur 1, bei der den SCRs 15 und 15^r zusätzliche SORs 152 ^un(I 15*2 antipnrallel geschaltet sind. Die Schaltungsanordnung nach Figur 15 dient für Anwendungsfälle, in denen es wünschenswert ist, elektrischeEnergie vom Ver- ■ braucher in die an die StromversorgungsanschlÜsse 18 und 19 angeschlossene Stromquelle zurückzuschicken. Dieser Fall kann z.B. auftreten, wenn die Schaltung zur Steuerung von G-leichstrom-Zugmotoren und ähnliches verwendet wird* und das vom Zugmotor angetriebene Fahrzeug bergab fährt, so daß der. Motor als Generator wirkt. Mit Hilfe der Schaltungsanordnung nach Figur 15 ist es möglich,, diese Energie in die Stromquelle zurückzuschicken» um sie anderen Verbrauchern zuzuführen, wodurch Energie eingespart wird. Zu diesem Zweck ist an die Hauptanschlüsse des antiparallel geschalteten SCR 152 eine selbsttätige Zündschaltung angeschlossen, die aus einem Widerstand 81,__einer Diode 82 und einem zweiten Widerstand 85 besteht, die in Reihe geschaltet sind. Diese Reihenschaltung bildet praktisch eine ohmsohe SpannungBteilersGhaltung mit -1 einer Entkoppiungsttioäe. Der SteueronsehiuB des SCR 15₂ is* ) an den Verbindungspunkt von Entkopplungsdiode 82 und Wider- ; stand 85 angeschlossen. Dadurch, daß die Anode der Entkopplungodiode 82 praktisch mit der Anode, des SCR 15g verbunden ist, werden dfem Steueranschluß des ÖGH ISg- nur dann ZHnäimpulse zugeführt, wenn das Potential der Anode des SCR 15g positiv gegenüber dem Potential seiner Kathode ist. Dies kann, nur dann der Fall sein, wenn 'Leistung vom Verbraucher in die

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Gleichstromqiielle zurückgeschickt wird. Der antiparallel geschaltete Hilf s-SCR. 15 '«"■'■■ist^mit einer ähnlichen Zündschaltung versehen, die aus den Bauelementen 81% 82' und 83' besteht." Die Hilfs-SCRs 15g und 15'2 werden durch dieselben Kommutierungsbauelemente gesperrt, die zum Sperren der SCRs 15 und 15' vervjrendet werden. Dadurch, daß die Schaltung in dieser Weise betrieben wird, kehrt sich jedoch die Polarität der an den .Bauelementen der Kommutierungsschaltung auftretenden üpannung um. Ansonsten wirkt die Schaltung in genau der gleichen Weise wie die Schaltung nach Figur 1, so daß sich eine«,weitere .oeschreibung erübrigt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Schaltungsanordnung nach Figur 3 in zwei verschiedenen .betriebsarten betrieben werden, kann. Die erste .Betriebsart besteht darin, daß, wenn die sCRs 15 und 15' abwechselnd leitend sind, dem Verbraucher über die Stromversorgungsanschlüsse Ί8 und 19 Energie zugeführt wird. Die andere .Betriebsart besteht darin, daß, wenn die_r antiparallel geschalte ten sGRs 15^ ¹^d. 15*2 abwechselnd betätigt werden, vom verbraucher Energie in die Stromquelle zurückgeschickt wird.

nie Schaltungsanordnung nach 1'¹IgUr 13 kann dadurch abgewandelt werden, daß anstelle der antiparallel geschalteten SCRs 15., 15' und 15₂, 15'2 ^e^-^{n in} zv;ei Richtungen durchsteuerbarer !''estkorper-Halbleiter-i^iodenschalter (Triac) verv/endet wird, der jedoch in der Lage ist, den strom dn Abhängigkeit von der Polarität der an seinen Hauptanschlüss"en anliegenden Spannung in die eine oder die andere Richtung· durchzulassen. Durch diese Eigenschaft ist es möglich, daß eine Schaltung, in der derartige schalter verwendet werden, in den beiden Betriebsarten der Schaltungsanordnung nach Figur 13 betrieben wird. Ansonsten ist die Wirkungsweise dieser Schaltung ähnlich der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach Figur 1, was das sperren der in zwei Richtungen wirkenden Triodenschalter betrifft.

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üei einer weiteren Abwandlung der Schaltungsanordnung nach Figur 13.sind die in zwei Richtungen wirkenden Triodenschalter ode'r die antiparallel geschalteten SCRs durch in zwei Richtungen wirkende Diodenschalter (Diacs) ersetzt. In zwei Richtungen wirkende Diodenschalter erfordern spezielle Zündimpulsschaltungen, die an sich bekannt sind und derart wirken, daß sie einen steil ansteigenden Zündimpuls (mit hohem du/dt) über die Hauptanschlüsse des ochalters leiten, so daß er leitend wird. Ks sei jedoch derauf hingewiesen, daß diese Bauelemente.' in ähnlicher Weise gesperrt werden müssen wie bORs, i'riacs und die übrigen Thyristoren, so daß sie in der abgewandelten Schaltung in ähnlicher V/eise wirken, wie die Schaltung nach Figur 13. Wenn, jedoch die in zwei Richtungen wirkende Kennlinie eines Diodenschalters nicht erforderlich ist, wäre es auch möglich, stattdessen herkömmliche steuerbare Gleichrichter zu verwenden, deren Zündkreise offen bleiben und-die nach dem sogenannten du/dt-Zündverfahren in den leitenden Zustand gesteuert werden. Nach dem du/dt-verfahren können die SCRs schneller, d.h. mit höherer Frequenz, als über den Steueranschluß gezündet werden, da das .bauelement durch das Anlegen des Zündimpulses an die Hauptanschlüsse nahezu gleichzeitig über den gesamten Querschnitt in den leitenden Zustand gesteuert wird. Im Falle der du/dt-gezündeten SCRs ist nur ein einziges Betriebsverfahren möglich, nämlich das, dem Verbraucher Strom zuzuführen. Man sieht also, daß, wenn du/dt-gezündete SCRs verwendet werden, die abgewandelte Schaltungsanordnung noch weit, angenäherter wie die in Figur 1 gezeigte wirkt, als diejenigen, in denen Diacs oder Triacs verwendet v/erden.

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Claims

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Patentansprüche

1. Leistungswandlerschaltung rait mindestens einem Pestkör- . per-Halbleiter-Thyristor;, der an einer Glelclistromfiuelle ließt, mit einer an den Thyristor angeschlossenen,' ihn in ; den leitenden Zustand steuernden Zündschaltung: und einer an '"" den Thyristor angeschlossenen Eominutierungsschaltttrig^ die ihn Wieder sperrt, \ . ; . 7 .,- :' ;".'■

d a d u r c h g e k e a_;n 2 eic H η e t j; \iaß:iin.; : inteitrlertes" multifünktionelles ,induktives Bauelement '(3J) mit νorbestimmt er Streuinduktivität an dem thyristor (15. oder 15 ') -und.'die Eommut ie rungs schaltung (E3_f 24, 2T)ang;e- ' schlossen ist und die ν or be stimmte btr.euinduktivität die iii der Kominutierungsschaltüng erforderliche induktive Reaktanz ■bildet, -.".." .".".■■-"/. : ' . ^:;-. "■ ".-.■-"■ .-■; ^ · " _: -."

2. Schaltung nach Anspruch 1, ■ .; ·

d ad u r c h g e k e η η ζ e i c h η et , daß das integrierte multifunktionelle induktive Bauelement als Ausgang ω tr ans for mat or dient und die vorbeBtimmte: ütreuindukti- ' vität eine Resonanzinduktivität, Dämpfungsinduktivität und ü'ilterindüktivität fur die Schaltung bildet. ; ;_: ;"■-"■'.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, .■·'.■.."

d p.. d u r ch ge kenn ζ eic h η e t , : daßvdaa integrierte multifunktionelle induktive Bauelement einen einzigen Kagnetkern (37) mit mehreren V/icklungen (34a, 34b, 35a, 35b, 36) enthält. -".-"'■-■'" V ■.. _:

4,-Schaltung na.ch Anspruch 1, *. " -_'".-■"■.

dadurch g e k e η η ζ e i c h net, daß ein erster Leißtungsthyrlstor (15), ein integriertes induktives üauelefiont (33) und ein -zweiter. leistungsthyristor- (15'") in der angegebenen Reihenfolge in Reihe geschaltet an-zwei Stroraverr.orgungsnp.schlüsgen (18, 19) liegen und die zu jedem der beiden Thyristoren gehörende Kommutierungsschaltung (23, 2·4, 27) zu federn der Thyristoreii parallel geschaltet

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und. an das Integrierte induktive Bauelement angeschlossen ist.

5. Schaltung'nach- Anspruch 4, ·

dadurch gekennzeichnet, daß das integrierte multifunktionelle induktive Bauelement zwei mit Mittelabgriff versehene Primärwicklungen (34a, 35a, 35b) hat, die über einen einzigen Magnetkern (37) mit einer Sekundärwicklung (36) und über Streuinduktivitäten miteinander gekoppelt sind, ihre ITittelab/rriffe (5) miteinander verbunden sind, eine Hälfte (34a) der einen Primärwicklung über den einen Thyristor (15) mit dem einen Stromversorgungsanschluß (18) verbunden ist, der andere Thyristor (15') zwischen dem anderen Stromversorgungsanschluß (19) und derjenigen Hälfte (35a) der anderen Primärwicklung liegt, die neben derjenigen Hälfte der einen Primärwicklung liegt, an die der eine Thyristor angeschlossen ist, ein erster Kommutierungskondensator (23) in Reihe mit der anderen Hälfte'(34b) der einen Primärwicklung liegt, die so gebildete Reihenschaltung zwischen den Mittelabgriff (5) und den einen Stromver-. sorgungsanschluß (18) geschaltet ist, ein zweiter Kommutierungskondensator (27) zwischen dem Mittelab/-riff (5) und dem einen Stromversorgungsanschluß (18) liegt, eine Entkopplungsdiode (24) zwischen dem Verbindungspunkt des einen Thyristors (15) und seiner Wicklungshälfte (34a) und dem Verbindungspunkt des ersten Kommutierungskondensators (23) und seiner Wicklungshälfte liegt, ein dritter Kommutierungskondensator (23') in Reihe mit der anderen Hälfte (35b) der anderen Primärwicklung liegt, die so gebildete Reihenschaltung zwischen dem Mittelab^riff-(5) und dem anderen Stromversorgungsanschluß (19) liegt, ein vierter Kommutierungskondensator (27^X) zwischen dem Mittelabgriff (5) und dem anderen Stromversorgungaanschluß (19) liegt und eine zweite Entkopplungsdiode (24¹) zwischen dem Verbindungspunkt des anderen Thyristors (15¹) und seiner Wieklungshälfte (35a) und dem Verbindungs-

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punkt des dritten Koimtiutieruiigslcondensators ("23') und seiner Wicklung shälfte (35b) liegt.

6. Schaltung nach Anspruch 4 oder 5,

d a d u r c h g e k e η η ζ e i c h η e t ,„daß zu jedem der beiden Thyristoren eine Rückführdiode (37, 38) antiparallel geschaltet ist. , ■

7. Schaltung nach Anspruch 4. oder 5,

dad ure h g e k e η η ζ eic h η et , . daß die •beiden'!Thyristoren steuerbare Siliziumgleichrichter sind.

8. Schaltung nach Ansprueh 7,

d -_a d ure h g e k e η η ζ e i c h net , daß je. zwei steuerbare Siliziumgleichrichter gegensinnig in Seihe geschaltet sind, . . ν : '

9. Schaltung nach Ansprueh 4. oder 5, _:

d ad u r ch g e kenn ζ e i c h η et, daß die beiden Thyristoren Leistungsdiacs sind. ,

TO. Schaltung nach Ansprueh 4 oder 5, d ad u r c h g e k e η η ζ ei c h n.e t , daß die beiden Thyristoren Iieistungstriacs sind.

11, Schaltung nach Anspruch 4 oder 5,

d ad u ϊ e h ge kenn zeich η e t' -_t . daß ein G-leichrlchter (45, 46, 47 oder 48) in Reihe mit der Sekundärwicklung (36) des integrierten induktiven Bauelements liegt, um eine geregelte Ausgangsgleichspannung von der Schaltung zu erhalten. .-■;_.

12. Schaltung nach Anspruch 4 oder 5 ,

d a du r c h ge k e ηη ζ e i c h"n e t , daß eine Begrenzung sdiode (53» 54) in Reihe mit jedem Thyristor liegt

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und diese Reihenschaltung an die Stromversorgungsanschlüsse angeschlossen ist.

13. Schaltung nach Anspruch 4- oder 5,

dadurch gekennzeichnet, daß der eine Thyristor mehrere in Reihe geschaltete steuerbare Silisiumgleichrichter enthält, von denen jedem eine Rückführdiode antiparallel und ein Lastaufteilungswiderstand parallel ge-: schaltet ist.

14. Schaltung nach Anspruch 5,'

dadurch gekennzeichnet, daß mehrere einphasige Leistungswandlerschaltungen zu einer mehrphasigen Leistungswandlerschaltung zusammengeschaltet sind, daß die Entkopplungsdiode (24g) der betreffenden einphasigen .Wandlerschaltung¹ zwischen die Kommutierungskondensatoren (23.j) der vorangegangenen Phase und den Thyristor (152) der benachbarten Phase geschaltet ist, daß bei einer der Endphäsen eine Entkopplungsdiode (24..) zwischen zwei Hilfekommutierungskondensatoren (23-jj, 23¹ + ) und dem Thyristor (15) der Endphase liegt und die Hilfskommutierungskondensatoren in Reihe mit einem nichtkapazitiven Impedanzbauelement (75) an den Stromversorgungsanschlüssen liegen (Figur 18).

15* Schaltung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierungsschaltung einen Kondensator (23) und einen in einer Richtung wirkenden Leiter (24) enthält, die derart in Reihe zwischen den Hauptanschlüssen des Thyristors (15) liegen, daß der Kommutierungskondensator die Anstiegsgeschwin- ■ digkeit der Spannung am Thyristor begrenzt, wenn dieser Thyristor wieder gesperrt wird".

16. Schaltung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß sie kurz-

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' - ²:⁹■- IBI3679

schluß- und leerlauffest ist, daß die Kommutierungsschaltung derart ausgelegt ist, daß ihre Kommutierungsfrequenz in der iMähe der .Betriebsfrequenz der Leistungswptndlerschaltung liegt, wodurch bei Kurzschluß oder Leerlauf /in der Leistungswandlersehaltung gespeicherte jünergie im leitenden Zustand der Thyristoren, in der Kommutierungsschaltung. ge-* speichert- wird, ohne daß die !Thyristorenbeschädigt oder zerstört werden* ■ ■.^::. "'. '-^: ■ \-· .-.,;- - ^

17. ochalter nach Anspruch 16, . -■-■_-■-"■■■-■.-■-;.'^: "·..:-V ■"-.-':"

dadurch g.'e-,-k en η zeichnet' ,- daß;die · schaltung in einem .Bereich von i-'requenzen betrieben werden kann und die Koimutierungsschaltung auf eine Kommutierungsfreq.uenz ausgelegt ist, die in der; aähe. der maxi mal en--Be-^ triebsfrequenz der Leistungswandlersehältung liegt. -