DE1463877B2 - Schaltungsanordnung zur Stromversorgung eines aus einer Gleichspannungsquelle über einen Thyristor gespeisten Verbrauchers - Google Patents

Schaltungsanordnung zur Stromversorgung eines aus einer Gleichspannungsquelle über einen Thyristor gespeisten Verbrauchers

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Stromversorgung eines aus einer Gleichspannungsquelle über einen Thyristor gespeisten Verbrauchers mit einer dem Thyristor parallelgeschalteten Kommutierungsschaltung, die einen Kommutierungskondensator und einen mit dem Kommutierungskondensator zusammenarbeitenden Hilfsthyristor aufweist und bei der für die Umladung des Kommutierungskondensators mit einer Frequenz, die kleiner als die Kommutierungsfrequenz ist, eine mit dem Kommutierungskondensator in Reihe geschaltete Reihenschaltung aus einer linearen Drosselspule und einer Entkopplungsdiode vorgesehen ist.
Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der Druckschrift Proceedings IEE, Januar 1963, S. 203 (Fig. 19) bekannt. Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung ist der Hilfsthyristor der aus der Drosselspule und der Entkopplungsdiode gebildeten Reihenschaltung parallel geschaltet, und diese den Hilfsthyristor enthaltende Parallelschaltung ist über den Kommutierungskondensator mit dem den Verbraucherstrom führenden Hauptthyristor verbunden. Nach dem Anlegen der Versorgungsgleichspannung wird bei dieser bekannten Schaltungsanordnung zunächst der Hilfsthyristor gezündet, um den Kommutierungskondensator über den Verbraucher aufzuladen. Bei der anschließenden Zündung des Hauptthyristors erfolgt dann die Umladung des Kommutierungskondensators über die Drosselspu-Ie und die Entkopplungsdiode. Nach erfolgter Umladung ist es durch Zünden des Hilfsthyristors möglich, den Hauptthyristor durch Entladen des Kommutierungskondensators zu löschen.
Diese bekannte Schaltungsanordnung ist bezüglich der Betriebszuverlässigkeit in einigen Punkten unzulänglich und erfordert hinsichtlich der zeitlichen Ansteuerung der beiden Thyristoren einen gewissen Schaltungsaufwand. So muß man zum einen nach dem Anlegen der Versorgungsgleichspannung unbedingt sicherstellen, daß vor dem Zünden des Hauptthyristors immer zuerst der Hilfsthyristor gezündet wird, um den Kommutierungskondensator anfangs aufzuladen. Falls der Hauptthyristor zuerst gezündet wird, ist eine Kommutierung des Hauptthyristors mangels einer vorherigen Aufladung des Kommutierungskondensators nicht möglich. Zum anderen muß man nach erfolgter Aufladung des Kommutierungskondensators vom Zeitpunkt des Zündens des Hauptthyristors bis zum Zeitpunkt des Zündens des Hilfsthyristors zwecks Löschung des Hauptthyristors stets eine gewisse Zeitspanne verstreichen lassen, um vor dem Zünden des Hilfsthyristors sicherzustellen, daß der Kommutierungskondensator vollständig umgeladen ist. Wenn nämlich der Hilfsthyristor vor der Beendigung der Umladung des Kommutierungskondensators gezündet wird, könnte die zu diesem Zeitpunkt im Kommutierungskondensator gespeicherte Ladung unter Umständen noch nicht ausreichen, um den Verbraucherstrom im Hauptthyristor zu löschen. Die zur Löschung fehlende Energie wäre dann noch in der Spule gespeichert und würde über den zu früh gezündeten Hilfsthyristor einen Zirkulationsstrom treiben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die ohne großen Schaltungsaufwand bezüglich der Ansteuerung der Kommutierungsschaltung eine zuverlässige Kommutierung sicherstellt.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die eingangs beschriebene Schaltungsanordnung nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß erstens eine sättigbare Drosselspule zu der aus der Entkopplungsdiode und der linearen Drosselspule gebildeten Reihenschaltung parallel geschaltet ist und daß zweitens bei Verwendung eines nur in einer Richtung leitfähigen Elements als Hilfsthyristor dieses Element zu der aus der vorgenannten Parallelschaltung der Drosselspulen und der Entkopplungsdiode und aus dem Kommutierungskondensator gebildeten Reihenschaltung parallel geschaltet ist und diese das Hilfsthyristor-Element enthaltende Parallelschaltung über eine Kopplungsdiode mit dem den Verbraucher teuren strom führenden Thyristor verbunden ist oder daß zweitens bei Verwendung eines Triac-Elements als Hilfsthyristor das Triac-Element mit der aus der vorgenannten Parallelschaltung der Dros-
seispulen und der Entkopplungsdiode und aus dem Kommutierungskondensator gebildeten Reihenschaltung in Reihe geschaltet ist und diese das Triac-Element enthaltende Reihenschaltung unmittelbar mit
dem den Verbraucherstrom führenden Thyristor verbunden ist.
Im Gegensatz zu dem geschilderten Stand der Technik erfolgt beim Erfindungsgegenstand sofort mit dem Anlegen der Versorgungsgleichspannung die Aufladung des Kommutierungskondensators, ohne daß es dazu der Zuführung eines äußeren Zündimpulses zum Hilfsthyristor bedarf. Weiterhin wird durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung sichergestellt, daß der eigentliche Kommutierungsvorgang erst nach vollständiger Umladung des Kommutierungskondensators einsetzt, und zwar unabhängig davon, zu welchem Zeitpunkt der Hilfsthyristor gezündet wird. Dies ist darauf zurückzuführen, daß mit dem Zünden des Hilfsthyristors nicht sofort der Löschvorgang einsetzt, sondern zunächst der Kommutierungskondensator vollständig umgeladen wird und erst nach erfolgter Umladung ohne weiteren äußeren Eingriff mit der Kommutierung begonnen wird. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß die Kommutierung stets mit der maximal möglichen Kommutierungsenergie ausgeführt wird, so daß unabhängig von der Höhe des gerade fließenden Verbraucherstroms der Löschvorgang zuverlässig erfolgt.
Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in der Ausführung mit einem nur in einer Richtung leitfähigen Element als Hilfsthyristor den Vorteil auf, daß der Hilfsthyristor nicht den vollen Verbraucherstrom zu führen braucht, da er nicht im Löschstromkreis liegt, sondern lediglich zum Umladen des Kommutierungskondensators dient. Da die UmIadung mit einer niedrigeren Frequenz als die Kommutierung erfolgt, ist auch der Umladestrom entsprechend niedriger als der Kommutierungsstrom, was bedeutet, daß der Hilfsthyristor einen wesentlich kleineren Spitzenstrom- und Effektivstrom-Nennwert haben kann als der Hauptthyristor.
Damit die Ladung des Kommutierungskondensators unabhängig vom Verbraucherkreis erfolgen kann, ist eine Weiterbildung nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß eine Ladespule und eine Ladediode in Reihe vorgesehen sind, über die der Kommutierungskondensator unmittelbar aus der Gleichspannungsquelle aufladbar ist.
Aus der Zeitschrift AIEE Transactions, Mai 1961, S. 152 bis 155, ist bereits eine Kommutierungsschaltung bekannt, bei der ein Kondensator und eine sättigbare Drosselspule in Reihe geschaltet sind und diese Reihenschaltung einem den Verbraucher speisenden Thyristor parallel geschaltet ist. Dabei ist der sättigbaren Drosselspule eine aus einer Diode und der Sekundärwicklung eines Transduktors bestehende Reihenschaltung parallel geschaltet. Die Induktivität der gesättigten Drosselspule und die Kapazität des Kondensators bestimmen in dieser Schaltungsanordnung die Reihenresonanzfrequenz, die gleich der Kommutierungsfrequenz ist.
In dieser Kommutierungsschaltung, die auch als »Morgan-Schaltung« bekannt ist, bestimmt die sättigbare Drosselspule die Dauer des leitenden Zustande des Thyristors. Gegenüber dieser bekannten Schaltungsanordnung bietet der Erfindungsgegenstand den Vorteil, daß er ohne den schweren und teuren Transduktur auskommt. Darüber hinaus kann die sättigbare Drosselspule viel kleiner gehalten werden als bei der bekannten Kommutierungsschaltung, bei der die Kornmutierung des stromführenden Thyristors lediglich über den Kommutierungskondensator und die sättigba re Drosselspule erfolgt.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand von Figuren beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 das Schaltbild einer nach der Erfindung ausgebildeten Schaltungsanordnung,
F i g. 2 das Schaltbild einer weiteren nach der Erfindung ausgebildeten Schaltungsanordnung,
F i g. 3 eine Abwandlung der Schaltungsanordnung nach F i g. 2,
F i g. 4 eine weitere Abwandlung der Schaltungsanordnung nach F i g. 2 und
F i g. 5 eine als Wechselrichterschaltung aufgebaute Schaltungsanordnung nach der Erfindung.
Die in F i g. 1 gezeigte Schaltungsanordnung mit Tastverhältnissteuerung enthält einen steuerbaren SiIiciumthyristor 11 und einen Verbraucher 12, die in Reihe an Anschlüsse 13 und 14 an einer Gleichspannungsquelle angeschaltet sind. Eine Drosselspule 15 ist zwischen den Thyristor 11 und den Verbraucher geschaltet. Eine Begrenzungsdiode 16 liegt parallel zu der Drosselspule 15 und dem Verbraucher 12.
Zur Sperrung des Thyristors 11 dient eine Kommutierungsschaltung, die eine Parallelschaltung einer linearen Drosselspule 17 und einer sättigbaren Drosselspule 18 enthält. Die sättigbare Drosselspule 18 ist so ausgelegt, daß ihre Sättigungsinduktivität kleiner ist als die Induktivität der linearen Drosselspule 17. In Reihe mit der linearen Drosselspule 17 liegt eine Entkopplungsdiode 20, und parallel zu dieser Reihenschaltung ist die sättigbare Drosselspule 18 geschaltet. Zwischen den Verbindungspunkt dieser Parallelschaltung und die Klemme 13 ist ein Kommutierungskondensator 19 geschaltet, der somit auch mit der Anode des Thyristors 11 verbunden ist. Der Kommutierungskondensator 19 und die lineare Drosselspule 17 sind auf eine Reihenresonanzfrequenz abgestimmt, die wesentlich unter der gewünschten Kommutierungsfrequenz liegt. Dagegen ist der Kommutierungskondensator 19 mit der Induktivität der gesättigten Drosselspule 18 auf eine Reihenresonanzfrequenz abgestimmt, die gleich der gewünschten Kommutierungsfrequenz ist und demzufolge wesentlich höher als die Resonanzfrequenz der linearen Drosselspule 17 und des Kommutierungskondensators 19 liegt. Ein steuerbarer Hilfsthyristor 21 ist zwischen den verbleibenden Verbindungspunkt der Parallelschaltung aus der linearen Drosselspule 17 und der sättigbaren Drosselspule 18 und den Anschluß 13 geschaltet. Der Hilfsthyristor 21 dient zur Umladung des Kommutierungskondensators 19 über einen geschlossenen Kreis, der die lineare Drosselspule 17 enthält. Mit Hilfe dieser Verbindung wird die Polarität der Ladung des Kondensators 19 umgekehrt.
Die Kathode einer Kopplungsdiode 22 ist mit der Kathode des Thyristors 11 verbunden, und die Anode dieser Diode liegt an dem Verbindungspunkt der linearen Drosselspule 17 mit dem Hilfsthyristor 21. Über diese Verbindung gelangt die Ladung entgegengesetzter Polarität des Kommutierungskondensators 19 über die gesättigte Drosselspule 18 auf den Thyristor 11, so daß er gesperrt wird. Zündsignale geeigneter Polarität und Phasenlage werden von einer geeigneten Zündschaltung (nicht gezeigt) auf die Steuerelektroden der Thyristoren 11 und 21 gegeben, um diese in entsprechender Zeitfolge durchzusteuern.
Zur Beschreibung der Wirkungsweise sei zunächst angenommen, daß der den Verbraucherstrom führende Thyristor 11 anfangs nichtleitend oder gesperrt ist. Dann lädt sich der Kommutierungskondensator 19 über den Verbraucher 12, die Drosselspule 15, die Di-
ode 22 und die sättigbare Drosselspule 18 auf nahezu die volle Gleichstromversorgungsspannung an den Klemmen 13 und 14 auf. Diese Ladung ist positiv an der Klemme 13 und negativ an dem Verbindungspunkt mit der linearen Drosselspule 17 und der sättigbaren Drosseispule 18. Während der Aufladung des Kondensators 19 wird die sättigbare Drosselspule 18 in die positive Sättigung getrieben. Wenn der Thyristor 11 durchgesteuert ist, sperrt die Diode 22, und der Kommutierungskondensator 19 bleibt geladen. Der Strom durch den leitenden Thyristor 11 fließt über die Drosselspule 15 und den Verbraucher 12 zurück zur Stromquelle. Der steuerbare Siliciumthyristor 11 ist mit Unterbrechungen leitend, entsprechend den Zündsignalen, die auf die steuerbaren Siliciumthyristoren 11 und 21 gegeben werden. Durch das periodische Ein- und Ausschalten des Thyristors 11 wird eine Serie von lückenden Impulsen erzeugt, die von der Drosselspule 15 geglättet werden, so daß der gewünschte Ausgangsstrom an den Verbraucher 12 abgegeben wird.
Zur Erzielung verschiedener Gleichstrommittelwerte des durch den Verbraucher 12 fließenden Stroms können entweder die Dauer oder die Frequenz oder sowohl die Frequenz als auch die Dauer der Impulse verändert werden.
Wie schon gesagt, bevor der Thyristor 11 durchgesteuert wird, lädt sich der Kommutierungskondensator
19 über die Reihenschaltung aus dem Verbraucher 12, der Drosselspule 15, der Kopplungsdiode 22 und der sättigbaren Drosselspule 18 auf nahezu das volle Potential der Gleichstromversorgungsspannung Es auf. Bei diesem Ladevorgang wird die sättigbare Drosselspule 18 in die positive Sättigung getrieben. Nach dem Leitendwerden des Thyristors 11 steigt das Potential am Punkt 25 nahezu auf das Potential an der positiven Klemme 13 an, so daß die Diode 22 sperrt und der Kommutierungskondensator 19 dadurch geladen bleibt.
Kurz bevor der Thyristor 11 gesperrt werden soll, wird der Hilfsthyristor 21 durchgesteuert, und der Kommutierungskondensator 19 lädt sich sinusförmig um 180° über die Sperrdiode 20, die in Reihe geschaltete lineare Drosselspule 17 und den leitenden Hilfsthyristor 21 um, so daß sich die Polarität der Ladung des Kondensators 19 umkehrt. Dadurch wird die Ladung des Kommutierungskondensators auf der punktierten Seite positiv gegenüber dem Potential der Klemme 13. In diesem Betriebszustand der Schaltung ist die Diode
20 gesperrt, wodurch sie die Entladung des Kommutierungskondensators 19 über die lineare Drosselspule 17 verhindert. Außerdem verhindert die gesperrte Diode Kreisschwingungen zwischen der linearen Drosselspule 17 und der sättigbaren Drosselspule 18.
Gleichzeitig mit der Umladung des Kommutierungskondensators 19 teilt sich der durch den Hilfsthyristor
21 fließende Strom derart auf, daß ein Teil dieses Stroms die sättigbare Drosselspule 18 aus der positiven Sättigung treibt. Während des Beginns der Entmagnetisierung der sättigbaren Drosselspule 18, während sie also von der positiven in die negative Sättigung getrieben wird, ist der Umladevorgang des Kommutierungskondensators 19 noch nicht beendet, und sowohl der Thyristor 11 als auch der Hilfsthyristor 21 sind noch leitend. Nach einer gewissen Zeit hat sich der Kondensator 19 jedoch durch den Strom über den Pfad niedriger Impedanz, die Spule 17, umgeladen. Durch die Spannung des umgeladenen Kondensators wird die sättigbare Spule 18 wieder zurück in die positive Sättigung getrieben. Demzufolge bleibt die sättigbare Drosselspule 18 so lange Zeit ungesättigt, wie es erforderlich war, sie in die negative Sättigung zu treiben. Dann wird sie wieder in die positive Sättigung getrieben. Dadurch, daß die sättigbare Drosselspule 18 wieder in die positive Sättigung getrieben wird, erscheint die nach dem Umladevorgang am Kommutierungskondensator 19 anstehende Spannung infolge der gesättigten Drosselspule 18, deren Impedanz jetzt nahezu Null ist, und der leitenden Kopplungdiode 22 am Punkt 25, der somit nahezu auf das Doppelte des positiven Potentials der Stromzuführungsklemme 13 angehoben wird. Dies hat zur Folge, daß sich die Spannung sowohl am Thyristor 11 als auch am Hilfsthyristor 21 umkehrt, wodurch beide gesperrt werden. Dieser Zustand bleibt so lange erhalten, bis sich der Kommutierungskondensator 19 über die gesättigte Drosselspule 18, die Drosselspule 15 und den Verbraucher 12 entladen hat. Dieser Kreis wurde auf eine solche Zeitkonstante ausgelegt, daß den Thyristoren 11 und 21 genügend Zeit bleibt, ihren Sperrzustand einzunehmen. Wenn dies der Fall ist, hat die Schaltung wieder ihren Ausgangszustand erreicht, und eine neue Arbeitsperiode kann beginnen.
Während der längsten Zeit einer Kommutierungsperiode fließt der Verbraucherstrom über den Thyristor 11 und nicht über den Hilfsthyristor 21, der nur zur Umladung des Kommutierungskondensators 19 dient.
Dem Thyristor 11 ist vorzugsweise eine Rückführdiode 26 entgegengesetzt gepolt parallel geschaltet. Wenn das Potential des Punkts 25 positiv gegenüber dem der Klemme 13 zu werden versucht, wird die Rückführdiode 26 leitend und begrenzt das Potential des Punkts 25 auf das Potential der Klemme 13. Demzufolge fließt über die Rückführdiode 26 Strom in die Batterie zurück. Da die Rückführdiode 26 das Potential des Punkts 25 auf das Potential der Klemme 13 begrenzt, ist die Sperrspannung der Thyristoren 11 und 21 auf den Spannungsabfall der Rückführdiode 26 in Durchlaßrichtung begrenzt. Dieser Spannungsabfall ist im allgemeinen nicht größer als 1 Volt, reicht aber aus, um die steuerbaren Siliciumthyristoren zu sperren. Besonders für niedrige Verbraucherströme schaltet man vorzugsweise zwischen die Stromversorgungsanschlußklemme 14 und den Verbindungspunkt des Kommutierungskondensators 19 mit der sättigbaren Drosselspule 18 und der Entkopplungsdiode 20 eine Ladespule 27 und eine Ladediode 28 in Reihe. Durch diese Anordnung unterstützt der Strom der Ladespule 27 das Wiederaufladen des Kommutierungskondensators 19 am Ende jedes Kommutierungsvorgangs. Während des Kommutierungsvorgangs speichert die Ladespule 27 (deren Induktivität im übrigen sehr viel größer als die abgestimmte Induktivität der Drosselspule 17 ist) Energie, während die an ihr anstehende Spannung an dem durch einen Punkt gekennzeichneten Ende positiv ist. Dies ist nach der ersten Umladung des Kommutierungskondensators 19 der Fall, wenn die punktierte Seite des Kondensators 19 positiv ist. Am Ende der Kommutierungszeit ist die Ladediode 28 gesperrt, und die Spule 27 gibt ihre Energie an den Kommutierungskondensator ab, so daß dessen Spannung größer als die Versorgungsspannung Es wird. Wenn die Spannung des Kondensators größer ist als die Batteriespannung, wobei die punktierte Seite des Kommutierungskondensators negativ ist, bleibt die Diode 27 gesperrt und die Ladung des Kommutierungskondensators erhalten. Die Spule 27 ist so ausgelegt, daß sie so viel Energie abgibt, wie während einer Kommutierungsperiode in der Kommutierungsschaltung verlorengeht. Die möglicher-
weise durch Größe, Gewicht und Wirtschaftlichkeit einer zulässigen Ladespule 27 und Ladediode 28 entstehenden Kosten sind verhältnismäßig klein im Vergleich zu den Vorteilen, die dadurch entstehen, daß der Betrieb der Schaltung im Bereich von Leerlauf bis zu 10% der Nennlast verbessert wird.
F i g. 2 zeigt eine Abwandlung der in F i g. 1 gezeigten Schaltungsanordnung mit Tastverhältnissteuerung, in welcher der Hilfsthyristor 21 und die Kopplungsdiode 22 von F i g. 1 durch ein einziges Triac-Element 51 ersetzt sind, das sich über eine Steuerelektrode durchsteuern, aber nicht wieder sperren läßt und eine Zweirichtungscharakteristik hat.
Zur Durchsteuerung des Triac-Elements 51 dient, wenn das Potential des Punkts 25 positiv gegenüber der durch einen Punkt gekennzeichneten Seite des Kommutierungskondensators 19 ist, eine Zündschaltung. Diese Zündschaltung enthält einen Begrenzungswiderstand 47 und die Sekundärwicklung eines Zündimpulstransformators 48, die zwischen die Steuerelektrode des Triac-Elements 51 und den Punkt 25 in Reihe geschaltet sind. Eine andere Zündschaltung enthält eine Kopplungsdiode 49 und einen Begrenzungswiderstand 50, die zwischen die Steuerelektrode des Triac-Elements 51 und den verbleibenden Verbindungspunkt der Parallelschaltung aus der linearen Drosselspule 17 und der sättigbaren Drosselspule 18 in Reihe geschaltet sind. Dabei ist die Anode der Diode 49 an den Widerstand 50 und die Kathode der Diode 49 an die Steuerelektrode des Triac-Elements 51 angeschlossen. Das Betriebsverhalten der Schaltung nach F i g. 2 ist im wesentlichen das gleiche wie das der Schaltung nach Fig. 1. Solange der den Verbraucherstrom führende Thyristor 11 gesperrt ist, wird der Kommutierungskondensator 19 durch die Ladespule 27 in der oben beschriebenen Weise auf eine Spannung aufgeladen, die größer als die Gleichstromversorgungsspannung ist. Danach verhindert das Triac-Element 51, das in diesem Zeitpunkt gesperrt ist, daß sich der Kondensator 19 über den Verbraucher 12 entlädt, wenn der den Laststrom führende Thyristor 11 über einen Zündimpulstransformator 31 durchgesteuert ist. Kurz bevor der den Verbraucherstrom führende Thyristor 11 gesperrt werden soll, wird in einem vorher bestimmten Zeitpunkt von dem Zündimpulstransformator 48 ein Signal abgegeben, das das Triac-Element 51 durchsteuert. In diesem Aufgenblick lädt sich der Kommutierungskondensator 19 über die lineare Drosselspule 17, die Entkopplungsdiode 20, das Triac-Element 51 und den Thyristor 11 um. Nach der Umladung des Kommutierungskondensators sperrt die Entkopplungsdiode 20, und die sättigbare Drosselspule 18 wird wieder in die positive Sättigung getrieben. Solange die sättigbare Drosselspule 18 ungesättigt ist, bleibt das Potential des Kommutierungskondensators 19 erhalten. Gleichzeitig wird das Triac-Element 51 gesperrt, da sich die Spannung an ihm umkehrt. Nachdem die sättigbare Drosselspule 18 erneut in die positive Sättigung getrieben ist, macht das positive Potential des unteren Anschlusses des Kommutierungskondensators 19 die Diode 49 leitend und steuert das Triac-Element 51 in entgegengesetzter Richtung durch, da sich die Polarität des Potentials zwischen dem Punkt 25 und dem unteren Anschluß des Kommutierungskondensators 19 umgekehrt hat. Da das Triac-Element 51 jetzt in entgegengesetzter Riehtung leitet, entlädt sich der Kommutierungskondensator 19 über die sättigbare Drosselspule 18, das Triac-Element 51 und die Rückführdiode 26, wobei an dem den Verbraucherstrom führenden Thyristor 11 eine Sperrspannung erzeugt wird, die ihn sperrt. An Hand dieser Beschreibung ist zu ersehen, daß das Triac-Element 51 dann die Funktion des Hilfsthyristors 21 in der Schaltung nach F i g. 1 übernimmt, wenn sich der Kommutierungskondensator umlädt. In dem Augenblick, in dem die sättigbare Drosselspule 18 wieder positiv gesättigt ist, entlädt sich der Kommutierungskondensator 19 nach der Umladung wieder über das Triac-Element 51 in entgegengesetzter Richtung, die durch einen gestrichelten Pfeil angedeutet ist, so daß das Triac-Element 51 dann die Funktion der Kopplungsdiode 22 übernimmt. Daraus folgt, daß das einzige Triac-Element 51 zwei Bauelemente, nämlich den Hilfsthyristor 21 und die Kopplungsdiode 22 der Schaltung nach F i g. 1 ersetzt. F i g. 3 zeigt eine weitere Ausführung einer Stromversorgungsschaltung mit Tastverhältnissteuerung gemäß der Erfindung. Hier ist das den Verbraucherstrom führende Bauelement ein Diac-Element 81, das keine Steuerelektrode besitzt, aber wie ein Zweiweggleichrichter wirkt. Ein Leistungsdiac-Element ist im allgemeinen ein pnpn-dotierter Halbleiterkörper für Nennströme von beispielsweise 50 oder 100 A in beiden Richtungen, je nach der Polarität der angelegten Spannung. Das Leistungsdiac-Element wird durch Impulse mit sehr steilen Flanken vom Sperrzustand in den leitenden Zustand geschaltet. Diese Impulse werden auf die beiden Elektroden des Diac-Elements gegeben. Es sei bemerkt, daß sich das hier verwendete Leistungsdiac-Element vollkommen von einem Signaldiac-Element unterscheidet, das als Dreischichthalbleiter für Schwachströme im Milliwattbereich ausgelegt ist und primär in Verbindung mit Zündschaltungen verwendet wird. Eine ausführliche Beschreibung des Leistungsdiac-EIements 81 ist dem Aufsatz »Two Terminal Asymmetrical and Symmetrical Silicon Negative Resistance Switches« von R. W. A 1 d r i c h und N. H ο 1 ο η y a k Jr. in der Zeitschrift »Journal of Applied Physics«, Band 30, Nr. 11, Nov. 1959, S. 1819 bis 1824, zu entnehmen. Das Leistungsdiac-Element 81 ist zwischen die Stromversorgungsanschlüsse 13 und 14 mit der Drosselspule 15 und dem Verbraucher 12 in Reihe geschaltet. Zum Sperren des Diac-Elements 81 ist ihm eine Kommutierungsschaltung parallel geschaltet, die den Kommutierungskondensator 19 und die Bauelemente 17, 18, 20, 27, 28 und den Block 51a enthält, der wiederum die Bauelemente 47, 48, 49, 50 und 51 von F i g. 2 enthält. Da diese Kommutierungsschaltung mit der an Hand der F i g. 2 beschriebenen Kommutierungsschaltung in Aufbau und Wirkungsweise identisch ist, wird sie hier nicht mehr im einzelnen beschrieben.
Zur Durchsteuerung des Leistungsdiac-Elements 81 bei gegenüber dem Punkt 25 positiver Klemme 13 ist eine Zündschaltung vorgesehen, die einen Impulskondensator 82 enthält, der parallel zu einem festen Widerstand 83 und einem Schwellwertschalter 84 geschaltet ist. Dieser Schwellwertschalter kann ein für kleinere Leistungen ausgelegtes Signaldiac-Element sein. Der Schwellwertschalter 84 ist dem Leistungsdiac-Element 81 in vielen Eigenschaften ähnlich; er bricht jedoch lawinenartig zusammen und wird völlig leitend, wenn eine ausreichend hohe Spannung angelegt wird. Dabei ist die Flankensteilheit der Zündimpulse nicht wichtig. Der Schwellwertschalter 84 ist mit dem festen Widerstand 83, einem Widerstand 85 und einer Diode 86 in Reihe zwischen den Punkt 25 und den Anschluß 13 geschaltet. Ein Kopplungskondensator 87 liegt parallel zu dem Schwellwertschalter 84, dem Widerstand 85 und
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der Diode 86, und ein npn-Transistor 88 liegt in Reihe mit einem Widerstand 89 parallel zu dem Impulskondensator 82. In dieser Anordnung wird durch den Transistor 88 die Höhe der Spannung gesteuert, auf die sich der Impulskondensator 82 auflädt. Wenn der Transistor 88 voll durchgesteuert ist, lädt sich der Kondensator 82 niemals so weit auf, daß der Schwellwertschalter 84 durchschaltet. Durch Veränderung der Leitfähigkeit des Transistors 88 wird die Geschwindigkeit, mit der sich der Kondensator 82 auflädt, gesteuert und damit der Zeitpunkt, bei dem diejenige Spannung erreicht wird, bei der der Schwellwertschalter 84 voll durchgesteuert wird, wodurch das Tastverhältnis der Stromversorgungsschaltung steuerbar ist. Durch das Durchschalten des Schwellwertschalters 84 werden die Spannungen der Kondensatoren 82 und 87 zwischen die Klemme 13 und den Punkt 25 in Reihe geschaltet, so daß der Punkt 25 schlagartig negativ gegenüber dem Anschluß 13 wird. Dies hat einen steil ansteigenden Spannungsimpuls an dem Leistungsdiac-Element 81 zur Folge. Das Leistungsdiac-Element 81 wird daraufhin leitend und führt dem Verbraucher 12 Strom zu.
Neben den Kondensatoren 82 und 87 und dem Schwellwertschalter 84 und den zugehörigen Bauelementen enthält die Zündschaltung für das Leistungsdiac-Element 81 eine Rückführzündschaltung, mit der das Diac-Element 81 in entgegengesetzter Richtung durchgesteuert wird. Dies ist der Fall, wenn sich die Polarität der Potentiale der Punkte 25 und 13 so umkehrt, daß der Punkt 25 positiver als der Anschluß 13 ist, so daß das Diac-Element 81 als Rückführdiode wirkt, wie die Rückführdiode 26 in der Schaltung nach Fig. 1. Die Rückführzündschaltung enthält einen Impulskondensator 82', einen Schwellwertschalter 84', einen Widerstand 83', einen Kondensator 87', einen Widerstand 85' und eine Diode 86'. Alle diese Bauelemente sind ähnlich angeordnet und haben ähnliche Funktionen wie die mit ähnlichen Bezugszeichen versehenen Bauelemente der Verbraucherstromzündschaltung. Die Rückführzündschaltung unterscheidet sich jedoch von der Verbraucherstromzündschaltung dadurch, daß sie einen pnp-Transistor 91 enthält, der parallel zu dem Kondensator 82' geschaltet ist und dessen Basiselektrode mit dem Abgriff eines Widerstandsspannungsteilers verbunden ist. Dieser Widerstandsspannungsteiler enthält zwei Widerstände 92 und 93, die in Reihe an dem Kommutierungskondensator 19 liegen. Durch diese Anordnung bleibt der Transistor 91 so lange gesperrt, wie das Potential der durch einen Punkt gekennzeichneten Seite des Kommutierungskondensators 19 negativ ist, so daß die Rückführzündschaltung das Leistungsdiac-Element 81 in umgekehrter oder Rückstromrichtung durchsteuert, wenn die Polaritäten der Potentiale der Punkte 25 und 13 umgekehrt sind. So wird z. B. der Punkt 25 positiver als der Anschluß 13 bei induktiver Belastung durch den Verbraucher 12. Unter diesen Bedingungen wird die Diode 86' leitend und lädt den Impulskondensator 82' so weit auf, bis der Schwellwertschalter 84 durchzündet. Dadurch wird ein steil ansteigender Spannungsimpuls oben beschriebener Art auf das Leistungsdiac-Element 81 gegeben, der dieses in Rückstromrichtung durchsteuert. Das Leistungsdiac-Element 81 bleibt so lange leitend, bis das Potential des Punkts 25 unter das Potential des Punkts 13 gesunken ist, woraufhin das Leistungsdiac-Element 81 infolge der Spannungsumkehr an seinen Anschlüssen selbsttätig sperrt. Es sei jedoch bemerkt, daß, während das Leistungsdiac-Element 81 in Verbraucherstromrichtung leitet und daß während des Kommutierungszeitabschnitts, wenn sich das Potential des Kommutierungskondensators 19 umkehrt und die punktierte Seite des Kommutierungskondensators 19 positiv wird, der Transistor 91 voll durchgesteuert ist, so daß er den Kondensator 82' kurzschließt und verhindert, daß die Rückstromzündschaltung das Diac-Element 81 während des Kommutierungsabschnitts durchsteuert.
Kurz bevor das Diac-Element 81 gesperrt werden soll, wird zur Durchsteuerung des Triac-Elements 51 in der Kommutierungsschaltung ein Impuls über den Transformator 48 auf die Steuerelektrode des Triac-Elements 51 gegeben.
Danach tritt die den Kommutierungskondensator 19, die Diode 20, die lineare Drosselspule 17, die sättigbare Drosselspule 18 und das Triac-Element 51 enthaltende Kommutierungsschaltung in der an Hand von F i g. 2 beschriebenen Weise zur Sperrung des Diac-Elements 81 in Tätigkeit. In dem Zeitpunkt, in dem sich der Kommutierungskondensator 19 während des Kommutierungsabschnitts umgeladen hat, so daß das Potential der punktiert angedeuteten Seite positiv gegenüber dem Anschluß 13 ist, wird der Transistor 91 voll durchgesteuert, so daß er den Kondensator 82' kurzschließt, wodurch verhindert wird, daß die Rückstromzündschaltung das Diac-Element 81 während des Kommutierungsabschnitts durchsteuert. Danach macht die Selbstinduktionsspannung der Drosselspule 15 und gegebenenfalls eines induktiven Verbrauchers 12 die Begrenzungsdiode 16 leitend. Unter diesen Bedingungen sucht das Potential des Punkts 25 positiver zu werden als das positive Potential des Anschlusses 13. Dieses positive Potential wird über die Diode 86' geleitet und steuert den Schwellwertschalter 84' durch. Dadurch werden im Endeffekt die Kondensatoren 87' und 82' in Reihe parallel zu dem Diac-Element 8Γ mit umgekehrter Polarität der Punkte 25 und 13 geschaltet. In diesem Augenblick ist der Kommutierungskondensator 19 gerade wieder aufgeladen, so daß die durch einen Punkt gekennzeichnete Seite des Kondensators negativ und der Transistor 91 völlig gesperrt wird. Dadurch wird wiederum ein Spannungsimpuls auf das Leistungsdiac-Element 81 gegeben, der es in Rückstromrichtung durchsteuert. Während das Leistungsdiac-Element 81 in dieser Richtung leitend ist, wird über es von dem Verbraucher 12 und der Drosselspule 15 Strom in die Spannungsquelle zurückgeschickt. Da anschließend die Drosselspule 15 und der induktive Verbraucher 12 entmagnetisiert werden, sinkt das Potential des Punkts 25 wieder unter das des Anschlusses 13 ab, und das Diac-Element 81 kehrt wieder in seinen Sperrzustand zurück. Damit befindet sich die Schaltung wieder in ihrem Ausgangszustand, und der ganze Zyklus kann wiederholt werden.
Fig.4 zeigt die Ausführung nach der Fig.2 mit einem Triac-Element. Ferner sind in Fig.4 der den Verbraucherstrom führende Thyristor 11 und die Rückführdiode 26 von F i g. 2 durch ein Triac-Element 52 mit Zweirichtungscharakteristik ersetzt, das zur Steuerung des Verbraucherstroms dient und über eine Steuerelektrode durchgeschaltet, aber nicht wieder gesperrt werden kann. Das Triac-Element 52 ist mit seiner Steuerelektrode über einen Begrenzungswiderstand 53 und einen Impulstransformator 54 an eine Zündsignalquelle angeschlossen. Außerdem ist die Steuerelektrode des Triac-Elements 52 mit der Anode einer Diode 55 verbunden, deren Kathode über einen
Begrenzungswiderstand 56 an dem positiven Anschluß 13 liegt. Neben diesen Verbindungen sind Klemmschaltungs-Bauelemente vorgesehen, mit denen das Zündsignal des Triac-Elements 52 während der Kommutierung begrenzt wird. Deshalb ist die Steuerelektrode des Triac-Elements 52 auch mit der Emitterelektrode eines npn-Transistors 57 verbunden. Die Kollektorelektrode des Transistors 57 ist direkt mit dem negativen oder Kathodenanschluß des Triac-Elements 52 verbunden und die Basiselektrode ist über einen Begrenzungswiderstand 58 mit dem Verbindungspunkt 59 des Kommutierungskondensators 19 und der sättigbaren Drosselspule 18 verbunden. Um, wenn das Triac-Element 52 gesperrt wird, die Flankensteilheit der Sperrspannung zu begrenzen, können ein Begrenzungswiderstand 61 und ein Kondensator 62, wie es gestrichelt dargestellt ist, zwischen den positiven Anschluß 13 und den Punkt 25 in Reihe geschaltet werden. Das Entsprechende gilt, wenn das Triac-Element 52 besonders empfindlich für steile Zündimpulsflanken ist.
Es sei nun angenommen, daß das Triac-Element 52 gesperrt ist und daß sich der Kommutierungskondensator 19 während des vorangegangenen Kommutierungsabschnitts über die Spule 27 auf nahezu die volle Gleichstromversorgungsspannung aufgeladen hat. Das Triac-Element 51 sei ebenfalls gesperrt, so daß der Kommutierungskondensator 19 aufgeladen bleibt. Die Diode 63 sei ebenfalls gesperrt. Wenn jetzt das Triac-Element 52 von einem über den Impulstransformator 54 auf seine Steuerelektrode gelangenden Steuerimpuls durchgesteuert wird, fließt der Verbraucherstrom in gleicher Weise, wie es an Hand der Thyristor-Schaltungen beschrieben wurde, durch das Triac-Element 52, die Drosselspule 15 und den Verbraucher 12. Anschließend — kurz bevor das Triac-Element 52 gesperrt werden soll — wird das Triac-Element 51 von einem über den Impulstransformator 48 auf seine Steuerelektrode gelangenden Impuls durchgesteuert. Daraufhin lädt sich der Kommutierungskondensator 19 über die lineare Drosselspule 18, das Triac-Element 51 und das Triac-Element 52 um. Durch diese Umladung wird das Triac-Element 51 auf die gleiche Weise gesperrt, wie es an Hand der F i g. 2 beschrieben wurde. Bei dieser Umladung des Kommutierungskondensators 19 wird die durch einen Punkt gekennzeichnete Seite des Kondensators 19 positiv gegenüber dem Anschluß 13, und es könnte sein, daß dadurch ein Steuersignal zur Durchsteuerung des Triac-Elements 52 während des Kommutierungsabschnitts auf die Steuerelektrode des Triac-Elements 52 gelangt. Dasselbe positive Potential wird jedoch auch über den Begrenzungswiderstand 58 auf die Basis des npn-Transistors 57 gegeben, so daß dieser Transistor voll durchgesteuert wird und dadurch die Steuerelektrode des Triac-Elements 52 auf das Potential der negativen oder Kathodenelektrode des Triac-Elements begrenzt, so daß die Steuerelektrode nahezu das gleiche Potential wie der Punkt 25 hat. Dementsprechend macht auch der Transistor 57 den aus der Diode 55 und dem Widerstand 56 bestehenden Stromzweig während der Kommutierung in bezug auf die Steuerelektrode des Triac-Elements 52 unwirksam. Wenn anschließend die sättigbare Drosselspule 18 wieder positiv gesättigt ist, wird das Triac-Element 51 durch die Diode 49 und den Widerstand 50 in Rückstromrichtung durchgesteuert. Wenn das Triac-Element 51 in Rückstromrichtung durchgesteuert ist, springt das Potential des Punkts 25 sofort nahezu auf das Doppelte der Versorgungsspannung, so daß das den Verbraucherstrom führende Triac-Element 52 entgegengesetzt vorgespannt und dadurch gesperrt wird. Der Potentialsprung des Punkts 25 macht die Diode 55 leitend und liefert einen Zündimpuls an die Steuerelektrode des Triac-Elements 52, so daß dieses nach Art der Rückführdiode 26 einen Rückstrom in die entgegengesetzte Richtung schickt. Diese beiden Vorgänge finden gleichzeitig statt. Das heißt, der Verbraucherstrom durch das Triac-Element 52 wird durch die entgegengesetzt gerichtete Spannung am Triac-Element von dem Kommutierungskondensator 19 unterbrochen, und der Rückstrom wird gezündet. Der Rückstrom durch das Triac-Element 52 fließt so lange in Richtung der gestrichelt gezeichneten Pfeile, bis das Potential des Punkts 25 gleich dem oder niedriger als das Potential der Klemme 13 wird, woraufhin der Strom durch das Triac-Element 52 insgesamt unterbrochen wird und das Bauelement wieder in seinen Sperrzustand zurückkehrt.
F i g. 5 zeigt eine nach der erfindungsgemäßen Lehre aufgebaute Wechselrichterschaltung. Die Wechselrichterschaltung nach F i g. 5 enthält vier steuerbare Siiiciumthyristoren II1, II2, II3, II4, die dazu dienen, die Anschlüsse eines Verbrauchers 111 abwechselnd an die Anschlüsse 13 und 14 der Stromversorgungsquelle zu legen. Dabei werden beispielsweise die beiden Thyristoren II1 und II4 durchgesteuert, so daß im Endeffekt der Anschluß 112 mit dem Anschluß 13 und der Anschluß 113 mit dem Anschluß 14 verbunden ist. Danach werden die Thyristoren II1 und II4 wieder völlig gesperrt und die Thyristoren II2 und II3 durchgesteuert. Wenn der Strom über diese Thyristoren fließt, ist die Klemme 113 mit der Klemme 13 und die Klemme 112 des Verbrauchers 111 mit der Klemme 14 verbunden, so daß der Strom jetzt in der entgegengesetzten Richtung durch den Verbraucher 111 fließt. Danach werden die Thyristoren II2 und II3 wieder gesperrt, die Schaltung befindet sich wieder in ihrem anfänglichen Sperrzustand, und ein neuer Arbeitszyklus kann beginnen. Die Beschreibung läßt erkennen, daß die zeitliche Reihenfolge der Zündung der den Verbraucherstrom führenden Thyristoren II1, II2, II3, II4 die Stromrichtung durch den Verbraucher 111 bestimmt, so daß im Endeffekt ein Wechselstrom durch den Verbraucher 111 während aufeinanderfolgender Arbeitsperioden fließen kann.
Die Thyristoren II1 bis II4 sind je mit einer eigenen Kommutierungsschaltung versehen, die mit der in F i g. 1 gezeigten Kommutierungsschaltung identisch ist und daher nicht noch einmal im einzelnen beschrieben wird. Für den Fall, daß der Verbraucher 111 induktiv ist, sorgen die Rückführdioden 26' bis 264 für eine entsprechende Wirkungsweise des Wechselrichters. Um eine entsprechende Auf- oder Umladung der Kommutierungskondensatoren 191 und 192 zu gewährleisten, kann es außerdem wünschenswert sein, eine Ladespule 271 und Ladediode 281 und eine Ladespule 272 und Ladediode 282 vorzusehen, wie es gestrichelt angedeutet ist, um Kommutierungsfehler zu vermeiden, die unter Umständen durch ungenügende Ladung der Kommutierungskondensatoren 191 und 192 bei niedrigen Verbraucherströmen auftreten könnten. Ähnliche Ladestromkreise können für die Kommutierungskondensatoren 193 und 194 vorgesehen werden.
Die den Verbraucherstrom führenden steuerbaren Siliciumthyristoren 11' bis II4 und die zugehörigen Dioden 261 bis 264 in der Wechselrichterschaltung nach F i g. 5 können je nach Wunsch auch durch Diac- oder Triac-Elemente ersetzt werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Schaltungsanordnung zur Stromversorgung eines aus einer Gleichspannungsquelle über einen Thyristor gespeisten Verbrauchers mit einer dem Thyristor parallelgeschalteten Kommutierungsschaltung, die einen Kommutierungskondensator und einen mit dem Kommutierungskondensator zusammenarbeitenden Hilfsthyristor aufweist und bei der für die Umladung des Kommutierungskondensators mit einer Frequenz, die kleiner als die Kommutierungsfrequenz ist, eine mit dem Kommutierungskondensator in Reihe geschaltete Reihenschaltung aus einer linearen Drosselspule und einer Entkopplungsdiode vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß erstens eine sättigbare Drosselspule (18) zu der aus der Entkopplungsdiode (20) und der linearen Drosselspule (17) gebildeten Reihenschaltung parallel geschaltet ist und daß zweitens bei Verwendung eines nur in einer Richtung leitfähigen Elements (21) als Hilfsthyristor dieses Element (21) zu der aus der vorgenannten Parallelschaltung der Drosselspulen (17, 18) und der Entkopplungsdiode (20) und aus dem Kommutierungskondensator (19) gebildeten Reihenschaltung parallel geschaltet ist und diese das Hilfsthyristor-Element (21) enthaltende Parallelschaltung über eine Kopplungsdiode (22) mit dem den Verbraucherstrom führenden Thyristor (11,52,81) verbunden ist oder daß zweitens bei Verwendung eines Triac-Elements (51) als Hilfsthyristor das Triac-Element mit der aus der vorgenannten Parallelschaltung der Drosselspulen (17, 18) und der Entkopplungsdiode (20) und aus dem Kommutierungskondensator (19) gebildeten Reihenschaltung in Reihe geschaltet ist und diese das Triac-Element (51) enthaltende Reihenschaltung unmittelbar mit dem den Verbraucherstrom führenden Thyristor (11, 52, 81) verbunden ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ladespule (27) und eine Ladediode (28) in Reihe vorgesehen sind, über die der Kommutierungskondensator (19) unmittelbar aus der Gleichspannungsquelle aufladbar ist.
DE19641463877 1963-12-27 1964-12-24 Schaltungsanordnung zur Stromversorgung eines aus einer Gleichspannungsquelle über einen Thyristor gespeisten Verbrauchers Expired DE1463877C3 (de)

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