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DE3390161C2 - Ein- oder mehrphasiger Brückenwechselrichter - Google Patents

Ein- oder mehrphasiger Brückenwechselrichter

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DE3390161C2
DE3390161C2 DE19833390161 DE3390161T DE3390161C2 DE 3390161 C2 DE3390161 C2 DE 3390161C2 DE 19833390161 DE19833390161 DE 19833390161 DE 3390161 T DE3390161 T DE 3390161T DE 3390161 C2 DE3390161 C2 DE 3390161C2
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Stromberg Oy AB
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Description

Die Erfindung betrifft einen ein- oder mehrphasiger Brückenwechselrichter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Es ist bekannt, Halbleiterschalter, die in Wechsel- bzw. Umrichtern eingesetzt sind, mit diesen zugeordneten Netzwerken auszustatten, um die Belastungen der Halbleiterschalter bei Ein- und Ausschaltoperationen zu verringern. Es ist auch bekannt, die vorgenannten Netzwerke so auszubilden, daß die Verluste, die insbesondere bei Schaltfrequenzen über 1 kHz ins Gewicht fallen, gering gehalten werden (DE-Z "elektrotechnik", 62, H. 14, 21. Juli 1980, S. 14-21).
Es ist auch vorgeschlagen worden (DE-OS 31 01 412), nicht mehr für jeden Halbleiterschalter in einer Halbbrücke einen eigenen Widerstand zur Ausschaltentlastung vorzusehen, sondern beide Halbbrückenteile mit einem gemeinsamen Widerstand zu verbinden. Weiter ist dabei vorgeschlagen worden, statt der Umsetzung der Verluste in Wärme durch diesen Widerstand, einen Wandler vorzusehen, mit dem eine Rückspeisung in die Spannungsversorgung möglich ist.
Die durch den genannten Stand der Technik bekanntgewordenen Schutzbeschaltungen bedingen jedoch einen verhältnismäßig großen Aufwand, wenn die Verluste gering gehalten werden sollen.
Ausgehend von der zuletzt dargestellten Anordnung liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Schutzbeschaltungen bei einem Wechselrichter der gattungsgemäßen Art aufwands- und verlustarm zu gestalten und dadurch den Wirkungsgrad des Wechselrichters zu erhöhen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 angegeben.
Der erfindungsgemäße Wechselrichter kann u. a. als Wechselrichter zur Frequenzumformung und als Umrichter oder Gleichstromsteller eingesetzt werden. Als Halbleiterschalter können z. B. die bekannten bipolaren Transistoren, Feldeffekt- Transistoren oder auch GTO-Thyristoren ("gate-turn- off") verwendet werden. Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wechselrichters,
Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung und
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung als dreiphasiger Brückenwechselrichter.
In allen Figuren sind Bezugszeichen angegeben, die, soweit möglich, mit denen der Fig. 1 übereinstimmen.
In Fig. 1 bedeutet U DC die Speisegleichspannung, C DC ist ein Glättungskondensator, S₁ und S₂ sind Halbleiterschalter, D₁ und D₂ sind den Halbleiterschaltern antiparallel geschaltete Dioden und L ist eine Drossel zur Stromanstiegsbegrenzung. Ferner liegt parallel zum Halbleiterschalter S₁ eine Beschaltung bestehend aus den in Serie verbundenen Bauelementen D₃ (Diode) und C (Kondensator). Die in der Drossel L gespeicherte Energie wird durch eine Diode D₄ einem Kondensator C A zugeführt, der zwischen dem speisespannungsseitigen Anschluß der Drossel L und dem Anschluß eines weiteren Halbleiterschalters S₃ liegt. Dieser Halbleiterschalter S₃ bildet zusammen mit der Induktivität L A und einer Diode D₅ einen Zerhackerumformer, mit dem die im Speicherkondensator C A befindliche Energie zur Spannungsquelle zurückgeführt wird. Mit der erfindungsgemäßen Schaltung wird aber nicht nur die Energie, die in der Drossel L gespeichert ist, mittels des Speicherkondensators gesammelt zur Rückführung, sondern auch die in einem einzigen Beschaltungskondensator C befindliche. Somit wird bei der erfindungsgemäßen Schaltung keine Energie in Widerständen in Wärme umgewandelt, sondern nutzbringend zurückgeführt. Der Wirkungsgrad des Wechselrichters wird somit wesentlich verbessert.
Der Schaltung nach Fig. 1 liegt folgende Funktion zugrunde: Unter der Annahme, daß S₂ leitet und S₁ gesperrt ist ergibt sich
U C = U DC + U A
an Hand der in die Fig. 1 eingezeichneten Spannungspfeile. Der Stromfluß durch die Drossel L, nämlich i L ist dabei gleich Null. Wenn nun umgeschaltet wird und S₂ gesperrt wird und S₁ in den leitenden Zustand kommt, dann fällt die über den Schaltern S₁ und S₂ liegende Spannung U₁ auf Null. An der Drossel L wird eine Spannung U C -U A wirksam und i L steigt an. Es wird ein Resonanzkreis
L-S₁-C-D₄-C A
gebildet und C entlädt sich und C A wird aufgeladen.
Die Spannung am Schalter S₂ nimmt mit der gleichen Geschwindigkeit zu mit der die Spannung am Kondensator C sinkt. Ist der Kondensator C entladen (U C = 0), so kehrt sich die Stromrichtung in der Drosselspule um und folgt dem Weg:
L-D₃-D₄-C A
und der Strom vermindert seine Stärke entsprechend di/dt = U A /L. Ist abschließend i L gleich Null, so sind die während des Umschaltprozesses im Kondensator C und in der Drossel L vorübergehend befindlichen Energien im Speicherkondensator C A gelandet.
In ähnlicher Weise laufen die geschilderten Vorgänge ab, wenn S₁ geöffnet und S₂ geschlossen wird. Auch hierbei fällt zum Umschaltzeitpunkt die Spannung U₁ zunächst auf Null ab, weil auf dem Kondensator C keine Ladung ist und daher U C gleich Null ist. Es entsteht ein Resonanzkreis:
L-D₃-C-S ₂-C DC
mit dessen Strom C aufgeladen wird. Ist dann
U C =U DC +U A
so kehrt sich der Stromfluß von i L um und fließt entlang der Strecke
L-D₃-D₄-C A
und sein Wert fällt auf Null. Damit ist aber die Ausgangslage erreicht. Voraussetzung für die geschilderten Vorgänge ist natürlich, daß U A niedriger als U DC ist, weil sonst die Spannung U C von C nie den Wert U DC + U A erreichen könnte.
Die Rückführung der im Speicherkondensator C A befindlichen Energie kann auf vielfache, an sich bekannte Weise erfolgen. In den gezeigten Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 und 2 wird hierzu ein Halbleiterschalter S₃, eine Diode D₅ und eine Drossel L A verwendet, um soviel Energie von C A nach C DC zu übertragen, daß die Spannung U A im wesentlichen konstant gehalten werden kann.
Die Rückführung funktioniert wie folgt:
Wenn der Halbleiterschalter S₃ geschlossen wird, so gilt für den rückführenden Strom:
di/dt = U A /L A .
Erreicht dieser Strom einen vorgegebenen maximalen Wert, so wird der Schalter S₃ geöffnet. Der Strom kehrt nun seine Richtung um und fließt über die Diode D₅ mit der Folge, daß der Kondensator C DC aufgeladen wird, wobei für den betreffenden Strom gilt
di/dt = U DC /L A .
Ist der Wert des Stromes auf Null gesunken, so kann wiederum S₃ geschlossen werden falls U A höher als ein vorgegebener Wert ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt. Prinzipiell gleicht die Schaltung der Fig. 2 der von Fig. 1, die einzelnen Bauteile sind nur gewissermaßen spiegelbildlich zu Fig. 1 angeordnet. Dementsprechend ist nunmehr die Dioden-Widerstandsbeschaltung dem Halbleiterschalter S₂ zugeordnet.
Die Schaltung nach Fig. 1 kann auch so abgewandelt werden, daß der an der Drossel L liegende Anschluß des Kondensators C A mit dem am negativen Pol der Speisespannung liegenden Anschluß des Glättungskondensators C DC verbunden wird, wie das durch eine gestrichelte Linie in Fig. 1 angedeutet ist.
In den Fig. 1 und 2 ist der erfindungsgemäße Wechselrichter als einphasiger Wechselrichter gezeigt. Ein Ausführungsbeispiel eines dreiphasigen Wechselrichters nach der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Für alle Phasen ist nur eine einzige, gemeinsame Drossel L und nur ein einziger, gemeinsamer Ladekondensator C vorhanden. Der Zerhackerumformer für die Rückführung der Energie ist mit dem Bezugszeichen S versehen, der im übrigen so aufgebaut sein kann, wie das bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 der Fall ist.
Wie schon erwähnt, kann die Erfindung auch in Gleichstromumrichtern eingesetzt werden, d. h. in Anordnungen, mit denen eine Eingangsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung umgewandelt wird mit voneinander unterschiedlichen Spannungswerten. Die in Fig. 1 gezeigte Schaltung ist hierbei durch den Anschluß weiterer Siebmittel am Gleichspannungsausgang zu ergänzen.

Claims (3)

1. Ein- oder mehrphasiger Brückenwechselrichter mit je Brückenzweig zwei in Reihe angeordneten Halbleiterschaltern und dazu antiparallelen Dioden
  • - mit induktiver Stromanstiegsbegrenzung
  • - mit Kondensator-Dioden-Beschaltungen zum Schutz der Halbleiterschalter gegen schädlichen Spannungsanstieg und
  • - mit Schaltungsanordnungen zur Entladung der Beschaltungskondensatoren und zur Rückführung dieser Ladungen in die Versorgungsgleichspannungsquelle mittels Zerhackerumformern,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - zur induktiven Stromanstiegsbegrenzung eine Drossel (L) in einer Gleichstromzuleitung des Wechselrichters liegt,
  • - je Brückenzweig (S 1, S 2; S 11, S 12; S 21, S 22; S 31, S 32) nur dem Halbleiterschalter eine Kondensator- Dioden-Beschaltung (D 3, C; D₁₃, C R ; D 23, C S ; D 33, C T ) parallel liegt, der mit der Drossel (L) verbunden ist,
  • - zwischen Diode (D 3; D 13; D 23; D 33) und Kondensator C; CR; C S ; C T ) eine weitere Diode (D 4; D 14; D 24; D 34) angeschlossen ist, die mit einem für alle Zweige gemeinsamen Speicherkondensator (C A ) verbunden ist, der andererseits an dem drosselseitigen Pol der Versorgungsgleichspannungsquelle liegt,
  • - wobei die Ladung des Speicherkondensators (C A ) über den Zerhackerumformer (S 3, L A , D 5; S) zur Spannungsquelle zurückgeführt wird.
2. Ein- oder mehrphasiger Brückenwechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherkondensator (C A ) andererseits am nicht drosselseitigen Pol der Versorgungsgleichspannung (U DC ) liegt.
DE19833390161 1982-08-19 1983-08-19 Ein- oder mehrphasiger Brückenwechselrichter Expired DE3390161C2 (de)

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DE3390161T1 DE3390161T1 (de) 1984-11-15
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