DE2652275A1

DE2652275A1 - Einrichtung ohne prinzipbedingte verluste zur entnahme von praktisch rein sinusfoermigem, netzfrequentem strom aus wechsel- oder drehspannungsnetzen und zur ueberfuehrung der entnommenen elektrischen energie in galvanisch verbundene gleichspannungssysteme oder gleichspannungszwischensysteme

Info

Publication number: DE2652275A1
Application number: DE19762652275
Authority: DE
Inventors: Andreas Prof Dr Ing Boehringer; Hans-Dieter Dr Ing Schmid
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-11-17
Filing date: 1976-11-17
Publication date: 1978-05-18

Description

Beschreibung und Patentansprüche
Einrichtung ohne prinzipbedingte Verluste zur Entnahme von praktisch rein sinusförmigem, netzfrequentem Strom aus Wechsel- oder Drehspannungsnetzen und zur Oberführung der entnommenen elektrischen Energie in galvanisch verbundene Gleichspannungssysteme oder Gleichspannungszwischensysteme Die elektrischen Energienetze, insbesondere jene von hochindustrialisierten Ländern, werden in zunehmendem Maße durch Oberschwingungsströme beeinflußt, welche von Geräten der Leistungselektronik verursacht werden.
Ab einer bestimmten Höhe stören diese Oberschwingungsströme sowohl den Betrieb der Energienetze als auch andere dort angeschlossene Verbraucher. Es stellt sich somit die Aufgabe, die von Gleichstromsystemen oder Wechsel- und Drehstromsystemen mit netzfremder Frequenz benötigte elektrische Energie den speisenden Wechsel- oder Drehspannungsnetzen über praktisch rein sinusförmigen, netzfrequenten Strom und möglichst ohne prinzipbedingte Verluste zu entnehmen.
Diese Aufgabe wird von der hiermit vorgestellten Erfindung gelöst.
Bei ihrer Beschreibung sei zunächst auf die Entnahme von Energie aus Wechselspannungsnetzen eingegangen und erst im Anschluß daran auf die entsprechende Aufgabe bei Drehspannungsnetzen. Dementsprechend zeigt Fig. 1 von links beginnend zunächst schematisch ein speisendes Wechselspannungsnetz (1), än dessen Klemmen nacheinander ein mit einem Querkondensator (23 abschliessendes, als Tiefpaß wirkendes Eingangsfilter (3), ein ungesteuerter Gleichrichter in Brückenschaltung (4), ein Gleichstrom-Hochsetzsteller (5) in potentialverbindender Ausführung (engl.Bezeichnung: boost-converter) und ein mit einem Querkondensator beginnendes Gleichspannungssystem oder Gleichspannungs-Zwischen-System (6) nachgeschaltet sind, wobei der Gleichstrom-Hochsetzsteller derart ausgestaltet ist, daß in seinen beiden Längs zweigen mindestens eine elektrische Drossel (7) - im folgenden Speicherdrossel genannt - und mindestens eine Diode (8) - im folgenden Stellerdiode genannt - angeordnet sind und die beiden Längs zweige in Querrichtung über einen elektronischen Schalter (9) - im folgenden Stellerschalter genannt - miteinander verbunden sind, wobei, jeweils von links, von der Eingangsseite des Hochsetzstellers her gesehen, die Speicherdrossel(n) vor dem durch den Stellerschalter gebildeten Querzweig und die Stellerdiode(n) nach diesem Querzweig eingefügt sind. Als Stellerschalter wird ein schneller elektronischer Leistungsschalter verwendet, welcher in Fig. 1 beispielhaft als bipolarer Leistungstransistor ausgeführt ist.
Stattdessen können selbstverständlich auch Feldeffekt-Transistoren, abschaltbare Thyristoren (engl. GTO's) oder abschaltbare Thyristorkombinationen eingesetzt werden.
Zur Sicherstellung der Funktion des Hochsetzsteller (5 muß gewährleistet sein, daß die Spannung des genannten Gleichspannungssystems oder Gleichspannungs-Zwischen-Systems (6) höher ist als der periodische Scheitelwert der Nominalspannung des speisenden Wechselspannungsnetzes (1).
Fig. 2 zeigt nochmals den Hochsetzsteller aus Fig. 1 zusammen mit den typischen Verläufen des Stromes iL (10) durch die Speicherdrossel, welche hier die Induktivität L besitzen möge, des Stromes i5 (11) durch den Stellerschalter und des Stromes iD (12) durch die Stellerdiode. Des weiteren sind in Fig. 2 eingetragen das Zeitintervall Te (13) - im folgenden Einschaltdauer genannt -, währenddessen der Stellerschalter elektrisch leitetend ist, das Zeitintervall Ta (14) - im folgenden Ausschaltdauer genannt -, währenddessen der Stellerschalter gesperrt ist,und das Zeitintervall T1 (15) - im folgenden Lückdauer genannt -, währenddessen der Strom iL durch die Speicherdrossel den Wert Null besitzt.
Es läßt sich leicht zeigen, daß dann, wenn man die Lückdauer T1 konstant zu Null wählt, d.h., wenn man den Stellerschalter jeweils gerade dann wieder einschaltet, wenn der Drosselstrom den Wert Null erreicht hat, die mittlere Eingangsimpedanz dieses Hochsetzsteller den Wert 2L besitzt.
T e Für konstante. Einschaltdauer verhält sich der Hochsetzsteller also hinsichtlich des arithmetischen Mittelwerts des von ihm aufgenommenen.Stromes wie ein Ohmwiderstand, d.h. dieser arithmetische Mittelwert des Eingangsstromes iL ist dem arithmetischen Mittelwert der Eingangsspannung UE (16) proportional. Dies gilt natürlich nur für positive Werte der Eingangsspannung. Soll entsprechend der genannten Aufgabe einem Wechselspannungsnetz ein Strom entnommen werden, dessen arithmetischer Mittelwert dem arithmetischen Mittelwert der speisenden Wechselspannung proportional ist, muß also dem Hochsetzsteller (17) entsprechend Fig. 3 ein Gleichrichter (18) vorgeschaltet werden, welcher zur Einsparung eines teuren und schweren Transformators zweckmäßigerweise in Brückenschaltung ausgeführt wird. Damit fließt dort vor dem Brückengleichrichter der in Fig. 3 rechts oben skizzierte, mit der Schaltfrequenz des Stellerschalters modulierte Wechselstrom iwm (19) und der Hochsetzsteller gibt an das Gleichspannungssystem bzw. Gleichspannungs-Zwischen-System den in Fig. 3 rechts unten skizzierten, mit der Schaltfrequenz des Stellerschalters und dem doppelten Wert der Frequenz des speisenden Wechselspannungssystems modulierten Gleichstrom ihm (20) ab.
Um sicherzustellen, daß das speisende trechselspannungsnetz mit einem praktisch rein sinusförmigen Strom belastet wird, ist es also erforderlich, zwischen den Brückengleichrichter und das speisende Wechselspannungsnetz ein Wechselstromfilter zu schalten, welches,um die Funktion des Hochsetzstellers nicht zu beeinträchtigen, auf jener Seite, an welche der Gleichrichter angeschlossen ist, mit einem Kondensator abgeschlossen werden sollte.
Um dazuhin zu gewährleisten, daß die Spannung des Energie aufnehmenden Gleichspannungssystems bzw.
Gleichspannungs-Zwischen-Systems trotz der Zufuhr des zweifach modulierten Gleichstroms eine weitgehend reine Gleichspannung bleibt, ist parallel zu seinen Eingangsklemmen ein Kondensator zu schalten, welcher dazuhin sicherstellt, daß der Hochsetzsteller nicht durch Leitungsinduktivitäten auf der Gleichspannungsseite zerstört wird.
Durch Hinzufügen dieser beiden Glättungseinheiten entsteht so aus Fig. 3 die eingangs vorgestellte Fig. 1 mit dem Unterschied, daß dort der gleichspannungsseitige Glättungskondensator in das Energie aufnehmende Gleichspannungssystem bzw. Gleichspannungs-Zwischen-System mit einbezogen ist.
Aus den Diagrammen in Fig. 3 wird sofort deutlich, daß seinerseits die Annäherung des aufgenommenen Stromes an die Sinusform besonders gut wird,und andererseits das Wechselstromfilter (3), die Speicherdrossel (7) und der gleichstromseite Glättungskondensator in Fig. 1 besonders klein und leicht ausfallen, insgesamt also besonders günstige Verhältnisse vorliegen, wenn die Umschaltfrequenz des Stellerschalters (9) möglichst groß gegenüber der Frequenz des speisenden Wechselspannungsnetzes gewählt wird. Mit heute verfügbaren elektronischen Leistungsschaltern lassen sich maximale Schaltfrequenzen von 100 kHz bis 200 kHz auch im Bereich grösserer Leistungen bereits sicher realisieren.
Wird, wie bisher vorausgesetzt, die Lückdauer T zu Null gewählt, d.h. der Stellerschalter jeweils gerade dann wieder eingeschaltet, wenn der Drosselstrom den Wert Null erreicht hat, so kann die dem speisenden Wechselspannungsnetz entnommene Leistung nur über eine Veränderung der Einschaltdauer T e herbeigeführt werden. Auch Korrekturen an der Sinusform des aufgenommenen Wechselstroms, welche aufgrund der nicht idealen Eigenschaften der eingesetzten Bauelemente erforderlich werden, sind dann nur über eine Modulation dieser Einschaltdauer durchführbar. Dabei ist die letztgenannte Einschränkung nicht sehr belastend. Die erstgenannte Einschränkung kann dagegen erheblich stören, weil sie für eine Verringerung der aufgenommenen Leistung zum Wert Null hin eine Erhöhung der Schaltfrequenz zum Wert unendlich hin erfordert.
Diese Einschränkung entfällt - und es kann dann z.B. auch mit konstanter Schaltfrequenz gearbeitet werden -, wenn sowohl die Einschaltdauer als auch die Ausschaltdauer des Stellerschalters verändert werden.
In Fig. 4 ist rechts die Einrichtung nach Fig. 1 nochmals dargestellt. Dazuhin sind dort die charakteristischen Ströme und Spannungen eingepfeilt.
Deren zeitliche Verläufe sind in Fig. 4 links dargestellt, und zwar für den Fall, daß sich stets eine endliche Lückdauer ergibt, der Strom durch die Speicherdrossel also in jedem Schaltzyklus einmal auf der Nullinie aufsitzt.
Man erkennt aus diesen Kurven sofort, daß sich in diesem Fall sowohl für variable als auch für konstante Einschaltdauer über die Ausschaltdauer bzw.
die hiermit gekoppelte Lückdauer sowohl die Sinusform des Eingangsstromes sicherstellen als auch der gewünschte Effektivwert des Eingangs stromes und damit die gewünschte Leistung einstellen läßt.
Im einzelnen sind in Fig. 4 dargestellt: der dem Eingangs filter (3) zufliessende Wechselstrom iW (21), die Spannung des speisenden Wechselspannungssystems uW (22), die Spannung am Ausgang des Eingangsfilters uwm(23), der dem Brückengleichrichter zufliessende, modulierte Wechselstrom ihm (24), der Strom durch die Speicherdrossel iL (25), die Spannung des Gleichspannungssystems bzw.
des Gleichspannungs-Zwischen-Systems uG (26), und der dem Gleichspannungssystem bzw. dem Gleichspannungs-Zwischen-System zufliessende modulierte Gleichstrom iGm (27).
Das Gleichspannungssystem bzw. Gleichspannungs-Zwischen-System (6) in Fig. 1 kann bei der erfindungsgemäßen Einrichtung sowohl ein Energie aufnehmendes Gleichstromsystem sein, in welchem die aufgenommene elektrische Energie nutzbringend und zweckentsprechend in andere Energieformen umgesetzt wird, es kann sich bei ihm aber auch, wie bereits der Name sagt, um ein Gleichspannungs-Zwischen-System handeln, aus welchem die Energie über Gleichstromsteller oder Wechselrichter in beliebige, potentialmäßig gekoppelte oder getrennte, Energie aufnehmende Gleichstromsysteme oder Wechsel- bzw. Drehstromsysteme beliebiger Frequenz übertragen wird.
Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung selbst wurde bewußt auf eine galvanische Trennung verzichtet, da sich eine solche in nachgeschalteten Gleichstromstellern oder Wechselrichtern erheblich kleiner, leichter und kostengünstiger realisieren läßt.
Wie bereits aus Figur 3 deutlich wurde, wird der Stellerschalter nach seinem Abschalten mit der Spannung UG des Energie aufnehmenden Gleichspannungssystems bzw. Gleichspannungs-Zwischen-Systems belastet. Diese Spannung sollte also nicht zu groß werden um den Stellerschalter nicht zu überlasten.
Sie muß andererseits stets größer bleiben als der Scheitelwert der Spannung des speisenden Wechselspannungsnetzes, da sonst der Strom durch die Speicherdrossel nach dem Abschalten des Stellerschalters nicht mehr wunschgemäß abgebaut wird.
Es ist daher zweckmässig, diese Spannung UG des Gleichspannungssystems bzw. Gleichspannungs-Zwischen-Systems über eine Beeinflussung der Leistungszufuhr zu diesem (d.h. über eine Beeinflussung des Effektivwerts des dem Eingangs filter zufliessenden Wechselstroms) und/oder eine Beeinflussung der Leistungsabfuhr von diesem weitgehend konstant zu halten derart, daß bei einem zu hohen Wert von UG weniger Leistung zugeführt und/oder mehr Leistung abgeführt wird und daß bei einem zu niedrigen Wert von UG in umgekehrter Weise Einfluß genommen wird.
Werden zugunsten des Stellerschalters keine besonderen Maßnahmen getroffen, so wird sein Leistungsvermögen meist durch seine Verlustleistungsbeanspruchung beim Ausschalten begrenzt. Es ist daher zweckmässig, den Stellerschalter von seiner Verlustleistungsbeanspruchung beim Ausschalten zu entlasten.
Fig. 5 zeigt den Hochsetzsteller aus Fig. 2 nach Ergänzung um eine bekannte Einrichtung, welche den Stellerschalter (28) von seiner Verlustleistungsbeanspruchung beim Ausschalten über ein sogenanntes RCD-Netzwerk (29) entlastet. Die Funktionsweise dieser Entlastungseinrichtung (29) ist aus der einschlägigen Literatur bekannt.
Fig. 6 zeigt wiederum den Hochsetzsteller aus Fig. 2, nunmehr nach Ergänzung um eine Anordnung ohne prinzipbedingte Verluste zur Entlastung elektrischer oder elektronischer Einwegschalter von ihrer Verlustleistungsbeanspruchung beim Ausschalten (30) gemäß deutscher Patentanmeldung P 26 49 385.6.
Die Funktion dieser Anordnung (30) ist in der genannten Patentanmeldung ausführlich beschrieben.
Sie hat den Vorteil, ohne prinzipbedingte Verluste zu arbeiten und ist infolgedessen auch für hohe Schaltfrequenzen des Stellerschalters (31) geeignet. Diese Eigenschaft ist hinsichtlich des Einsatzes in einer Einrichtung gemäß vorliegender Erfindung besonders vorteilhaft, weil hier. - wie bereits ausgeführt - der Hochsetzsteller mit hohen Umschaltfrequenzen betrieben werden sollte.
Fig. 6 a zeigt erneut den Hochsetzsteller aus Fig. 2, nunmehr nach Ergänzung um eine andere Einrichtung ohne prinzipbedingte Verluste zur Entlastung elektrischer oder elektronischer Einwegschalter von ihrer Verlustleistungsbeanspruchung beim Ausschalten (107) gemäß deutscher Patentanmeldung P 26 50 673.0 . Die Funktion dieser Anordnung (107) ist in dieser zweitgenannten Patentanmeldung wiederum ausführlich beschrieben.
Auch sie arbeitet ohne prinzipbedingte Verluste und ist infolgedessen hinsichtlich des Einsatzes in einer Einrichtung gemäß vorliegender Erfindung besonders vorteilhaft.
Wird der in der erfindungsgemäßen Einrichtung enthaltene Hochsetzsteller, wie in den Diagrammen in Fig. 3 und Fig. 4 dargestellt, nach einem Abschalten immer erst dann wieder eingeschaltet, wenn der Strom durch die Speicherdrossel zuvor den Wert Null angenommen hat, so bleibt der Stellerschalter von einer Verlustleistungsbeanspruchung beim Einschalten verschont.
Weicht man jedoch hiervon ab, arbeitet also mit einem nicht lückenden Strom durch die Speicherdrossel, so wird der Stellerschalter ohne zusätzliche Vorkehrungen während des Einschaltens mit einer erheblichen Einschaltverlustleistung beansprucht. Dem kann in bekannter Weise entsprechend der Darstellung in Fig. 7 durch die Einfügung einer sogenannten Einschaltdrossel (32) abgeholfen werden. Dies hat jedoch zur Folge, daß dann die Sperrspannungsbeanspruchung beim Abschalten des Stellerschalters (33) unzulässig hohe Werte annimmt. Dem kann, wiederum in bekannter Weise, durch die Einfügung einer sperrspannungsbegrenzenden Zenerdiode (34) abgeholfen werden.
Außer dieser in Fig. 7 dargestellten gibt es noch weitere Einrichtungen, welche es ermöglichen, den Stellerschalter sowohl von hoher Verlustleistungsbeanspruchung beim Einschalten als auch von überhöhter Sperrspannungsbeanspruchung beim Abschalten zu befreien.
Figur 7 a zeigt erneut den Hochsetzsteller aus Fig. 2, nunmehr ergänzt sowohl um eine Einrichtung (108) zur Befreiung elektrischer oder elektronischer Einwegschalter von hoher Verlustleistungsbeanspruchung während des Einschaltens und überhöhter Sperrspannungsbeanspruchung beim Ausschalten gemäß deutscher Patentanmeldung P 26 51 492.1 als auch um eine Einrichtung (109) ohne prinzipbedingte Verluste zur Entlastung elektrischer oder elektronischer Einwegschalter von ihrer Verlustleistungsbeanspruchung beim Ausschalten gemäß deutscher Patentanmeldung P 26 50 673.0.
Wie sowohl aus den Diagrammen in Fig. 3 wie aus jenen in Fig. 4 deutlich wurde, wird bei der erfindungsgemäßen Einrichtung dem Energie aufnehmenden Gleichspannungssystem bzw. Gleichspannungs-Zwischen-System ein pulsierender Gleichstrom iGm zugeführt, welcher sowohl mit der Umschaltfrequenz des Stellerschalters als auch mit dem doppelten Wert der Frequenz des speisenden Wechselspannungsnetzes moduliert ist.
Um das Gleichspannungssystem bzw. Gleichspannungs-Zwischen-System und insbesondere den diesem parallel geschalteten Glättungskondensator von der besonders gravierenden Beanspruchung mit der Wechselstromkomponente von doppelter Netzfrequenz zu entlasten, kann es bei der erfindungsgemäßen Einrichtung sehr zweckmäßig sein, entsprechend der Darstellung in Fig. 8 dem Gleichspannungssystem bzw. Gleichspannungs-Zwischen-System (35) einen elektrischen Saugkreis (36) parallel zu schaltern, dessen Resonanzfrequenz doppelt so hoch ist wie die Frequenz des speisenden Wechselspannungsnetzes.
Wie bereits erläutert, bleibt der Stellerschalter, welcher in der erfindungsgemäßen Einrichtung enthalten ist, von einer Verlustleistungsbeanspruchung beim Einschalten verschont, wenn er frühestens dann eingeschaltet oder wieder eingeschaltet wird, wenn durch die Speicherdrossel kein nennenswerter Strom mehr fließt.
Besonders einfache Verhältnisse ergeben sich, wenn der Stellerschalter jeweils sofort wieder eingeschaltet wird, wenn durch die Speicherdrossel kein nennenswerter Strom mehr fließt (vgl. hierzu Fig. 3). Wird dazuhin noch die Einschaltdauer des Stellerschalters konstant vorgegeben, so ergibt sich, wie die eingangs gemachten Ausführungen schon gezeigt haben, bereits bei kleinen, nur auf die Schaltfrequenz des Stellerschalters abgestimmten Eingangsfiltern ein praktisch rein sinusförmiger Eingangsstrom. Dies setzt allerdings ideale Eigenschaften der eingesetzten Bauelemente voraus. Daraus, daß diese Voraussetzung in der Praxis nicht gegeben ist, resultieren bei realen Schaltungen dieser Art gewisse Abweichungen des dem Eingangsfilter zufliessenden Wechselstroms von der angestrebten Sinusform. Eine derart betriebene Gesamtschaltung kann aber dennoch sehr vorteilhaft sein, da der erforderliche Aufwand besonders gering ist. Eine Dosierung der dem Gleichspannungssystem bzw. dem Gleichspannungs-Zwischen-System zugeführten elektrischen Leistung kann dann z.B. derart erfolgen, daß der Stellerschalter jeweils für ganze Vielfache von Vollschwingungen der Spannung des speisenden Wechselspannungsnetzes vollständig gesperrt und anschliessend wiederfür ganze Vielfache von Vollschwingungen der Spannung des speisenden Wechselspannungsnetzes für seine vorstehend beschriebene Funktion wieder freigegeben wird.
Zum Ausgleich der Einflüsse der nicht idealen Eigenschaften der verwendeten Bauelemente kann es dabei zweckmässig sein, die Einschaltdauer des Stellerschalters über einen mit dem speisenden Wechselspannungsnetz synchronisierten, digital oder analog realisierten Funktionsgeber zu modulieren, und zwar mit der zweifachen Frequenz des speisenden Wechselspannungsnetzes.
Fig. 9 zeigt den typischen Verlauf, welchen die Einschaltdauer T (37) als Funktion der Zeit e aufweisen muß, wenn der dem Eingangsfilter zufliessende Wechselstrom eine möglichst gut angenäherte Sinusform aufweisen soll.
Fig. 10 zeigt die Grundanordnung der erfindungsgemäßen Einrichtung nach Fig. 1 nach Erweiterung um einen mit dem speisenden Wechselspannungsnetz (38) synchronisierten, digital oder analog realisierten, zeitabhängigen Funktionsgeber (39), welcher auf die Ansteuereinheit (40) des Stellerschalters (41) Einfluß nimmt, derart, daß die Einschaltdauer T e mit der zweifachen Frequenz des speisenden Wechselspannungsnetzes in der gewünschten Weise moduliert wird (vgl. hierzu Fig. 9).
Eine andere Möglichkeit, die Einflüsse der nicht idealen Eigenschaften der verwendeten Bauelemente auszugleichen, besteht darin, die Einschaltdauer des Stellerschalters über einen Funktionsgeber zu steuern, welcher vom Momentanwert einer Spannung geführt wird, die durch eine eine Phasennacheilung bewirkende Phasendrehung und anschliessende Vollweggleichrichtung aus der Spanung des speisenden Wechselspannungsnetzes gebildet werden kann.
Fig. 11 zeigt die orundanordnung der erfindungsgemäßen Einrichtung nach Fig. 1 nach Erweiterung um eine an das speisende Wechselspannungsnetz angeschlossene Phasendreheinrichtung (42), von der über einen zusätzlichen Vollweggleichrichter (43) der Funktionsgeber (44) gesteuert wird, welcher die Einschaltdauer Te des Stellerschalters wunschgemäß mit der zweifachen Frequenz des speisenden Wechselspannungsnetzes (45) moduliert.
Eine weitere Möglichkeit, die Einflüsse der nicht idealen Eigenschaften der verwendeten Bauelemente auszugleichen, besteht darin, die Einschaltdauer des Stellerschalters von einem Regler vorgeben zu lassen, welcher aufgrund des Vergleichs von Soll- und Istwert des dem Eingangsfilter zufliessenden Wechselstroms die Einstellung der Sinusform und/oder des Effektivwerts des dem Eingangsfilter zufliessenden Stroms besorgt.
Der Sollwert für diesen Regler kann aus der Spannung des speisenden Wechselspannungsnetzes abgeleitet werden. Da, wie Fig. 4 deutlich gezeigt hat, die Spannung vor dem Brückengleichrichter (4) in Fig. 1 der Spannung des speisenden Wechselspannungsnetzes in ihrer Phasenlage nacheilt, sollte der Sollwert für den genannten Regler dabei derart aus der Spannung des speisenden Wechselspannungsnetzes abgeleitet werden, daß zunächst über eine Phasendreheinrichtung eine Spannung erzeugt wird, welche der Spannung des speisenden Netzes in ihrer Phasenlage nacheilt Aus dieser Spannung ist dann der Reglersollwert in einfacher Weise über Bausteine ohne Zeitverhalten zu bilden.
Fig. 12 zeigt die Grundanordnung der erfindungsgemäßen Einrichtung nach Fig. 1 nach Erweiterung um ein derartiges Regelsystem.
Beispielhaft wird hier der Istwert des dem Eingangsfilter zufliessenden Wechselstromes an einnem Meßwiderstand (46) abgegriffen, einer - möglichst idealen - Vollweggleichrichtung (47) unterzogen und dann dem Stromregler (48) als Istwert zugeführt. Dessen Sollwert wird aus dem speisenden Wechselspannungsnetz (49) über eine Phasendreheinrichtung (50) und eine - ebenfalls möglichst ideale - Vpllweggleichrichtung (51) gewonnen.
Die Funktion einer derartigen Regeleinrichtung kann erheblich verbessert werden, wenn die Einschaltdauer des Stellerschalters zusätzlich über einen spannungsabhängigen oder zeitabhängigen Funktionsgeber vorgesteuert wird.
Beispielhaft zeigt Fig. 13 die Anordnung nach Fig. 12 nach Ergänzung um eine Vorsteuerung der Einschaltdauer T e über einen snanningsabhängigen Funktionsgeber (52).
Anstelle einer direkten Vorgabe der Einschaltdauer Te , wie dies bisher beschrieben wurde, kann selbstverständlich auch eine entsprechende mittelbare Vorgabe treten. Eine solche ergibt sich z.B. dann, wenn der Stellerschalter jeweils dann wieder ausgeschaltet wird, wenn der Strom durch die Speicherdrossel einen Grenzwert erreicht hat, welcher mit der doppelten Frequenz des speisenden Wechselspannungsnetzes periodisch vorgeschrieben wird. Eine recht gute Annäherung des dem Eingangsfilter zufliessenden Wechselstroms an die gewünschte Sinusform kan bereits dann erreicht werden, wenn der genannte Grenzwert für den Strom durch die Speicherdrossel proportional zum Momentanwert einer Spannung vorgeschrieben wird, welche in bereits erläuterter Weise durch eine eine Phasennacheilung bewirkende Phasendrehung und eine anschliessende Vollweggleichrichtung aus der Spannung des speisenden Wechselspannungsnetzes gebildet werden kann.
Eine sehr gute Annäherung des dem Eingangsfilter zufliessenden Wechselstroms an die gewünschte Sinus form läßt sich erzielen, wenn der genannte Grenzwert für den Strom durch die Speicherdrossel über einen Funktionsgeber vorgegeben wird, welcher entweder in bereits erläuterter Weise vom Momentanwert einer Spannung geführt wird, die durch eine eine Phasennacheilung bewirkende Phasendrehung und eine anschliessende Vollweggleichrichtung aus der Spannung des speisenden Wechselspannungsnetzes gebildet werden kann, oder , gleichfalls in bereits erläuterter Weise, als mit dem speisenden Wechselspannungsnetz synchronisierter, digital oder analog realisierter, zeitabhängiger Funktionsgeber ausgebildet ist.
Eine noch bessere Annäherung des dem Eingangsfilter zufliessenden Wechselstroms an die gewünschte Sinus form läßt sich schließlich wiederum erzielen, wenn der Grenzwert des Stromes durch die Speicherdrossel von einem Regler vorgegeben wird, welcher in bereits erläuterter Weise die Einstellung der Sinus form und/oder des Effektivwerts des dem Eingangs filter zufliessenden Stromes besorgt.
Die Funktion dieser zuletzt beschriebenen Anordnung läßt sich nochmals dadurch verbessern, daß der Grenzwert des Stromes durch die Speicherdrossel zusätzlich über einen zeit- oder spannungsabhängigen Funktionsgenerator vorgesteuert wird.
Wie an sich aus dem bisher Gesagten bereits hervorgeht, kann es sehr vorteilhaft sein, die beschriebenen zeit- oder spannungs abhängigen Funktionsgeber für die Einschaltdauer des Stellerschalters bzw. für den Grenzwert des Stromes durch die Speicherdrossel über eine Signalspannung zusätzlich zu beeinflussen und über diese Signalspannung im Wege einer Steuerung oder Regelung die Einstellung der Sinusform und/oder des~Effektivwertes des dem Eingangsfilter zufliessenden Wechselstroms zu besorgen.
Lediglich beispielhaft hierfür zeigt Fig. 14 die Anordnung nach Fig. 11 nach Erweiterung des spannungsabhängigen Funktionsgenerators (53) um einen zusätzlichen Signalspannungseingang (54) für die Steuerspannung ust (55), welche z.B. direkt als Steuergröße für die dem Gleichspannungssystem bzw. Gleichspannungs-Zwischen-System (56) zugeführte elektrische Leistung dienen kann.
Bereits an früherer Stelle wurde festgestellt, daß die Steuermöglichkeiten bei der erfindungsgemäßen Einrichtung sich wesentlich erweitern, wenn der Stellerschalter jeweils erst dann wieder eingeschaltet wird, wenn seit dem letzten Nullwerden des Stromes durch die Speicherdrossel ein bestimmtes Zeitintervall, die sog.
Lückdauer, abgelaufen ist.
Damit entsteht die Möglichkeit, in Ergänzung zu einem bzw. in Kombination mit einem der bisher beschriebenen Steuerverfahren die Lückdauer des Stromes durch die Speicherdrossel zu verändern.
Dies kann derart geschehen, daß die Lückdauer des Stromes durch die Speicherdrossel über einen mit dem speisenden Wechselspannungsnetz synchronisierten, digital oder analog realisierten Funktionsgeber vorgegeben wird und dieser Funktionsgeber - gegebenenfalls zusätzlich - über eine ergänzend einwirkende Signalspannung beeinflußt wird, welche zur Einstellung der Sinusform und/oder des Effektinverts des dem Eingangs filter zufliessenden Wechselstromes herangezogen wird.
Es kann jedoch auch vorteilhafter sein, die Lückdauer des Stromes durch die Speicherdrossel über einen Funktionsgeber zu steuern, welcher vom Momentanwert einer Spannung geführt wird, die durch eine eine Phasennacheilung bewirkende Phasendrehung und anschließende Vollweggleichrichtung aus der Spannung des speisenden Wechselspannungsnetzes gebildet werden kann und diesen Funktionsgeber - gegebenenfalls zusätzlich - zur Einstellung der Sinus form und/oder des Effektivwertes des dem Eingangsfilter zufließenden Wechselstromes über eine ergänzend einwirkende Signalspannung zu beeinflussen.
In beiden Fällen kann die Signalspannung, welche auf den Funktionsgeber einwirkt, z.B. von einem Regler vorgegeben werden, welcher die Einstellung der Sinusform und/oder des Effektivwerts des dem Eingangsfilter zufließenden Wechselstromes besorgt.
Selbstverständlich kann die Lückdauer des Stromes durch die Speicherdrossel jedoch auch direkt von einem Regler vorgegeben werden, welcher die Einstellung der Sinus form und/oder des Effektivwerts des dem Eingangs filter zufließenden Stromes bewirkt, vorzugsweise derart, daß der Sollwert für diesen Regler über Bausteine ohne Zeitverhalten aus einer Spannung gebildet wird, welche der Spannung des speisenden Wechselspannungsnetzes in ihrer Phasenlage nacheilt.
Fig. 15 zeigt beispielhaft eine derartige Anordnung, bestehend aus der Grundanordnung der erfindungsgemäßen Einrichtung nach Fig. 1, einer ergänzend eingeführten Steuerung für die Einschaltdauer T e mittels eines sp annungs abhängigen Funktionsgebers gemäß Fig. 11 und einer zusätzlich eingeführten Regelung der Sinus form und des Effektinferts des dem Eingangsfilter zufließenden Wechselstroms über die Lückdauer T1 Im einzelnen sind in Fig. 15 dargestellt eine Phasendreheinrichtung (57) für die Spannung des speisenden Wechselspannungsnetzes (58), ein Meßwiderstand für den dem Eingangs filter (59) zuzufließenden Wechselstrom, ein - möglichst idealer - Vollweggleichrichter (60), welcher den Istwert für den Regler (61) liefert, ein weiterer - möglichst idealer - Vollweggleichrichter (62), welcher den Sollwert für den Regler (61) liefert und über den Funktionsgeber (63) die Einschaltdauer T des Stellerschalters (64) e vorschreibt, während der Regler (61) die Lückdauer T1 des Stromes durch die Speicherdrossel bestimmt. Beides wird über die Ansteuereinheit (65) des Stellerschalters (64) bewirkt.
Aus den bisherigen Ausführungen geht hervor, daß es hinsichtlich zahlreicher, sehr vorteilhafter Steuerungen für die Grundausführung der erfindungsgemäßen Einrichtung sehr bedeutsam ist, auf eine einfache Weise ein Signal dafür zu bekommen, daß der Strom durch die Speicherdrossel zu Null geworden ist. Hierfür kann man es sich zunutze machen, daß der Strom durch die Speicherdrossel wegen des Trägerstaueffekts der Stellerdiode im Anschluß an sein Nullwerden für kurze Zeit seine Polarität wechselt, dann aber, nach Ausräumung der Stellerdiode von Ladungsträgern, mit praktisch schlagartiger Umkehrung des Vorzeichens seiner Anderungsgeschwindigkeit dem Wert Null zustrebt. Bringt man nämlich auf die Speicherdrossel eine zusätzliche, gering belastete Hilfswicklung auf, so kehrt deren Ausgangsspannung bei jedem Wechsel der Polarität der Änderungsgeschwindigkeit des Stromes durch die Speicherdrossel ihr Vorzeichen um und liefert damit ein ausgezeichnetes Signal dafür daß der Strom durch die Speicherdrossel zu Null geworden ist bzw. keine Nennenswerte Größe mehr aufweist.
Hierbei ergibt sich jedoch ein Problem dadurch, daß dann, wenn die Spannung des speisenden Wechselspannungsnetzes den Wert Null oder sehr kleine Werte aufweist, kein oder kein nennenswerter Drosselstrom mehr fließt und infolgedessen das genannte Signal für den Beginn der Lückdauer entfällt.
Dem läßt sich jedoch bei den praktisch bedeutsamen Stellerschaltern, insbesondere bei bipolaren Leistungstransistoren , aber auch bei gate-turn-off-Thyristoren (sog. GTO's) dadurch abhelfen, daß die Beeinflussung der Ansteuerstrecke des Halbleiters bei dessen Abschalten mit so hoher Leistung erfolgt, daß diese Ansteuerstrecke mit hoher Sperrspannung, vorzugsweise in ihrem Zenerbereich betrieben wird.
Hierdurch wird auch im Hauptstromkreis des Halbleiters ein so hoher Strom hervorgerufen, daß an der auf die Speicherdrossel aufgebrachten Hilfswicklung das Signal für den Beginn der Lückdauer auch dann abgegriffen werden kann, wenn die Spannung des speisenden Wechselspannungsnetzes Null ist oder sehr kleine Werte aufweist.
Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung kann natürlich auch Drehspannungsnetzen praktisch rein sinusförmiger, netzfrequenter Strom entnommen und die entsprechende Energie galvanisch verbundenen Gleichspannungssystemen oder Gleichspannungs-Zwischen-Systemen zugeführt werden.
In nunmehr trivialer Kombination dadurch, daß drei erfindungsgemäße Einrichtungen jeweils an zwei Außenleiter des Drehspannungsnetzes oder an jeweils einen Außenleiter des Drehspannungsnetzes und an dessen vorhandenen oder ergänzend gebildeten Mittelpunktleiter angeschlossen sind und die dem Drehspannungsnetz entnommene elektrische Energie in drei galvanisch getrennte Gleichspannungssysteme oder Gleichspannungs-Zwischensysteme überführt wird.
Es liegt jedoch der Wunsch nahe, die dem Drehspannungsnetz entnommene Energie in ein einheitliches Gleichspannungssystem oder Gleichspannungs-Zwischen-System zu überführen. Dies läßt sich entsprechend der Darstellung in Fig. 16 in zunächst sehr einfach anmutender Weise dadurch erreichen, daß die drei Hochsetzsteller (66) einheitlich ausgeführt und an ihren Gleichspannungs aus gängen einfach miteinander verbunden werden.
Dies hat jedoch verschiedene, teilweise recht gravierende Nachteile. Zum einen muß zur grundsätzlichen Sicherstellung der Funktion dieser Schaltung die Spannung UG des Gleichspannungssystems bzw. Gleichspannungs-Zwischen-Systems (67) -fach größer sein als dann, wenn die drei Hochsetzsteller auf drei verschiedene, galvanisch voneinander getrennte Gleichspannungssysteme bzw.
Gleichspannungs-Zwischen-Systeme arbeiten würden, zum anderen ergeben sich erhebliche Einschränkungen hinsichtlich der Lage der Ein- und Ausschaltzeitpunkte der drei Hochsetzsteller relativ zueinander bzw. - verbunden damit - schlechte Ausnutzungsverhältnisse dieser Hochsetzsteller und ihrer Bauelemente.
Den an zweiter Stelle genannten Nachteilen läßt sich dadurch abhelfen, daß die Übertragung der elektrischen Energie von den drei Hochsetzstellern zum gemeinsamen Gleichspannungssystem bzw. Gleichspannungs-Zwischen-System unter Einsatz zusätzlicher Entkoppeldioden erfolgt.
Fig. 17 zeigt eine Anordnung, bei welcher die drei erfindungsgemäßen Einrichtungen an jeweils einen Außenleiter des Drehspannungsnetzes (68) und an dessen vorhandenen oder ergänzend gebildeten Mittelpunktleiter t69) angeschlossen sind.
Die Hochsetzsteller (70) sind gleich aufgebaut und ausgangsseitig in einheitlicher Weise an das Gleichspannungssystem bzw. Gleichspannungs-Zwischen-System (71) angeschlossen. Zusätzlich sind drei Entkoppeldioden (72) eingefügt, derart, daß bei den Hochsetzstellern nun in jeder Ausgangsleitung eine Diode enthalten ist.
Damit sind die oben an zweiter Stelle genannten Nachteile beseitigt.
Dies gilt auch für die in Fig. 18 dargestellte Anordnung, welche im Vergleich zu jener nach Figur 17 bei selber Strombelastbarkeit der Stellerschalter (73) eine höhere Ausgangsleistung erlaubt, da die drei erfindungsgemäßen Einrichtungen jeweils an zwei Außenleiter des speisenden Drehspannungsnetzes (74) angeschlossen sind.
Des weiteren sind hier - lediglich beispielhaft -die Eingangs filter (75) symmetrisch aufgebaut und auch die Hochsetzsteller (76) in symmetrischer Weise mit je zwei Speicherdrosseln (77) aufgebaut. Die Entkoppeldioden (78) sind wie in Fig. 17 so eingefügt, daß bei den Hochsetzstellern (76) nun in jeder Ausgangsleitung eine Diode enthalten ist.
Beide Anordnungen, jene nach Fig. 17 und jene nach Fig. 18, besitzen aber noch den Nachteil, daß die Spannung UG des gemeinsamen Gleichspannungssystems bzw. Gleichspannungs-Zwischen-Systems -J3rfach größer sein muß als dann, wenn die drei Hochsetzsteller auf drei verschiedene, galvanisch voneinander getrennte Gleichspannungssysteme bzw. Gleichspannungs-Zwischen-Systeme arbeiten würden.
Dieser, bei der begrenzten Spannungsbelastbarkeit heute verfügbarer Stellerschalter besonders gravierende Nachteil wird von der Anordnung nach Fig. 19 vermieden. Bei ihr sind die drei erfindungsgemäßen Einrichtungen wieder jeweils an einen Außenleiter des Drehspannungsnetzes (79) und an dessen vorhandenen oder ergänzend gebildeten Mittelpunktleiter (80) angeschlossen.
Ihre drei Hochsetzsteller (81) arbeiten an ihren Ausgängen zunächst auf je einen, als Zwischenspeicher fungierenden Kondensator (82). Diese drei Kondensatoren übertragen die ihnen zufliessende elektrische Energie in zyklisch-symmetrischer Reihenfolge an das gemeinsame Gleichspannungssystem bzw. Gleichspannungs-Zwischen-System (83), was über den Gleichstromstellern nachgeschaltete Thyristorpaare (84) und eine gemeinsame Drossel (85) erfolgt, welche sicherstellt, daß die Zwischenspeicher -Kondensatoren bei Freigabe des zugehörigen Thyristorpaars nicht schlagartig auf die Spannung UG des gemeinsamen Gleichspannungssystems entladen werden. Mit Ausnahme der sehr rasch erfolgenden Stromübergabe von einem Thyristorpaar auf das folgende ist hier jeweils nur ein Thyristorpaar leitend und damit nur ein Zwischenspeicher-Kondensator mit dem Energie aufnehmenden Gleichspannungssystem (83) elektrisch leitend verbunden.
Der Vorteil dieser Anordnung wurde bereits genannt. Die Sperrspannungsbeanspruchung der Stellerschalter ist nicht höher als bei getrennt arbeitenden Einzelsystemen. Dies gilt auch für die in Fig. 20 dargestellte Anordnung. Bei ihr ist von jedem der in Fig. 19 eingeführten Thyristorpaare ein Exemplar entfallen, während das andere erhalten blieb,und zwar derart, daß in jeder Verbindungsleitung von den Hochsetzstellern zum gemeinsamen Gleichspannungssystem bzw.
Gleichspannungs-Zwischen-System mindestens eine Ventilstrecke verbleibt, sei es in Form der Stellerdiode selbst oder in Form des verbliebenen Thyristors (87). Der Nachteil dieser vereinfachten Anordnung nach Fig. 20 gegenüber der vollständigen nach Fig. 19 kommt in Einschränkungen hinsichtlich der Festlegung der Zündzeitpunkte der verschiedenen Thyristoren relativ zur Phasenlage des speisenden Spannungssystems zum Ausdruck.
Aus den bisher gemachten Ausführungen und Diagrammen ging hervor, daß bei der Lösung der eingangs beschriebenen Aufgabe ein Einsatz von Gleichstrom-Hochsetzstellern in potentialverbindender Ausführung (engl. Bezeichnung: boost-converter) besonders vorteilhaft ist. Dies gilt auch für die Ausnutzung der in diesen Hochsetzstellern eingesetzten Stellerschalter und deren Schutz vor Oberlastungen, welche aus Überspannungen im speisenden Wechsel- bzw. Drehspannungsnetz resultieren könnten. Als Nachteil muß dafür in Kauf genommen werden, daß die von diesen Hochsetzstellern unmittelbar gespeisten Gleichspannungssysteme bzw. Gleichspannungs-Zwischen-Systeme oder Zwischenspeicher-Kondensatoren Spannungen aufweisen müssen, welche größer sind als die Scheitelwerte jener Wechselspannungen, welche an den Wechselstromanschlüssen der den Hochsetzstellern vorgeschalteten Brückengleichrichter anliegen.
Diese Einschränkung entfällt, wenn anstelle der bisher verwendeten Gleichstrom-Hochsetzsteller in potentialverbindender Ausführung (engl.: boostconverter) sogenannte Gleichstrom-Hoch-und Tiefsetzsteller in potentialverbindender Ausführung (engl.: buck-boost-converter) eingesetzt werden.
Für diese Lösung der eingangs beschriebenen Aufgabe zeigt Fig. 21 von links beginnend zunächst schematisch wieder ein speisendes Wechselspannungsnetz (88), an dessen Klemmen nacheinander ein mit einem Querkondensator (89) abschliessendes, als Tiefpaß wirkendes Eingangsfilter (90), ein ungesteuerter Gleichrichter in Brückenschaltung (91), ein Gleichstrom-Hoch- und Tiefsetzsteller (92) in potentialverbindender Ausführung (engl.Bezeichnung: boost-converter) und ein mit einem Querkondensator beginnendes Gleichspannungssystem oder Gleichspannungs-Zwischen-System (93) nachgeschaltet sind, wobei der Gleichstrom-Hoch- und Tiefsetzsteller derart ausgestaltet ist, daß in seinen beiden Längs zweigen mindestens ein elektronischer Stellerschalter (94) und mindestens eine Stellerdiode (95) angeordnet sind, und die beiden Längs zweige in Querrichtung über eine elektrische Speicherdrossel (96) miteinander verbunden sind, wobei, jeweils von links, von der Eingangs seite des Hoch- und Tiefsetzstellers her gesehen, der (die) Stellerschalter vor dem durch die Speicherdrossel gebildeten Querzweig und die Stellerdiode(n) nach diesem Querzweig eingefügt sind.
Fig. 22 zeigt nochmals den Hoch- und Tiefsetzsteller aus Fig. 21 zusammen mit den typischen Verläufen des Stromes i5 (974 durch den Stellerschalter, des Stromes iL C98) durch die Speicherdrossel und des Stromes iD (99) durch die Stellerdiode.
Des weiteren sind in Fig. 22 eingetragen die Einschaltdauer T (100) des Stellerschalters, die e Ausschaltdauer Ta (101) des Stellerschalters und die Lückdauer T1 (102) des Stromes durch die Speicherdrossel.
In Fig. 23 ist dem Hoch- und Tiefsetzsteller (103) ein Brückengleichrichter £104) vorgeschaltet.
Damit fließt dort vor dem Brückengleichrichter der in Fig. 23 rechts oben skizzierte, mit der Schaltfrequenz des Stellerschalters modulierte Wechselstrom zum (105),und der Hochsetzsteller gibt an das Gleichspannungssystem bzw. Gleichspannungs-Zwischen-System den in Fig. 23 rechts unten skizzierten, mit der Schaltfrequenz des Stellerschalters und dem doppelten Wert der Frequenz des speisenden Wechselspannungssystems modulierten Gleichstrom ihm (106) ab.
Es bedarf keiner besonderen Erläuterung, daß die Leistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Einrichtung dadurch erhöht werden kann, daß der in ihr enthaltene Gleichstromsteller durch eine Kombination von zwei oder mehr parallelgeschalteten, vollständigen Gleichstromstellern ersetzt wird. Man wird sich dann aber darum bemühen, die verschiedenen Speicherdrosseln zu einer gemeinsamen Speicherdrossel zusammenzufassen. Dies ist dann ohne Schwierigkeiten möglich, wenn die verschiedenen Stellerschalter dynamisch voneinander entkoppelt werden.
Fig. 24 zeigt eine erfindungsgemäße Einrichtung, bei welcher der ursprünglich enthaltene Gleichstrom-Hochsetzsteller durch eine Kombination (110) zweier parallelgeschalteter Hochsetzsteller ersetzt ist, deren Stellerschalter (111) nebst zugehöriger Stellerdioden (112) über eine sogenannte Saugdrossel (113) dynamisch voneinander entkoppelt sind und deren ursprünglich getrennte Speicherdrosseln zu einer gemeinsamen Speicherdrossel (114) zusammengefaßt sind, wobei der vom Schaltungseingang abgewandte Anschluß (115) dieser gemeinsamen Speicherdrossel (114) an den Mittelpunkt (116) der Saugdrossel (113) geführt ist.
Nach Einführung dieser Saugdrossel können die beiden Stellerschalter (111) ohne Schwierigkeiten jeweils gleichzeitig ein- und ausgeschaltet werden, da die Saugdrossel eine symmetrische Aufteilung des Stromes durch die Speicherdrossel auf die beiden Stellerschalter und - nach deren Abschalten - auf die beiden Stellerdioden auch dann erzwingt, wenn sich die Durchlaßspannungen dieser Bauelemente etwas voneinander unterscheiden.
Bei der in Fig. 24 dargestellten Gleichstrom-Hochsetzsteller-Kombination (110) können die beiden Stellerschalter aber auch derart ein- und ausgeschaltet werden, daß die Einschaltzeitpunkte bzw. die Ausschaltzeitpunkte eines der beiden Stellerschalter jeweils in der Mitte des Zeitintervalls zwischen zwei Einschaltzeitpunkten bzw. zwischen zwei.Ausschaltzeitpunkten des anderen Stellerschalters liegen. Damit ergeben sich für das elektrische Potential des dem Schaltungseingang abgewandten Anschlusses (115) der gemeinsamen Speicherdrossel folgende Verhältnisse: Sofern beide Stellerschalter (111) leiten, nimmt dieser Punkt (115) das Potential der negativen Schiene (117) des gespeisten Gleichspannungssystems (118) an> sofern beide Stellerschalter sperren, ist das Potential dieses Punktes (115) dasselbe wie jenes der positiven Schiene (119) des gespeisten Gleichspannungssystems und sofern ein Stellerschalter sperrt und der andere leitet, weist dieser Punkt den arithmetischen Mittelwert der Potentiale der positiven und der negativen Schiene des gespeisten Gleichspannungssystems auf. Damit läßt sich die von der gemeinsamen Speicherdrossel (114) aufzunehmende Spannugszeitfläche verringern, wodurch eine Material- und Volumeneinsparung bei dieser Drossel ermöglicht wird.
Des weiteren ergibt sich bei dieser Betriebsweise, bezogen auf die gesamte übertragene Leistung, eine Verkleinerung der Durchlaßverluste in den Stellerschaltern. Diese zweitgenannte Betriebsweise ist daher grundsätzlich sehr vorteilhaft. Sofern aber auch hier mit einem auf der Nullinie aufsitzenden Strom durch die Speicherdrossel (114) gearbeitet wird, können sich im Bereich mittlerer Momentanwerte der Spannung des speisenden Wechselspannungsnetzes Schwierigkeiten dadurch ergeben, daß die den Strom durch die Speicherdrossel aufbauende oder abbauende Spannung sehr klein wird und sich damit verhältnismässig niedrige Umschaltfrequenzen einstellen. Dadurch können wiederum unerwünscht oder unzulässig hohe Oberschwingungen in dem dem Eingangsfilter (120) zufliessenden Wechselstrom hervorgerufen werden. Dies läßt sich erfindungsgemäß dadurch vermeiden, daß in diesem Bereich der Eingangs spannung auf das zuvor beschriebene Steuerungsprinzip übergegangen wird, bei welchem die beiden Stellerschalter (111) jeweils gleichzeitig ein- und ausgeschaltet werden.
Bei der beschriebenen Anordnung weist der dem Schaltungseingang abgewandte Anschluß (115) der gemeinsamen Speicherdrossel (114) dann, wenn ein Stellerschalter sperrt und der andere leitet, den arithmetischen Mittelwert der Potentiale der positiven und der negativen Schiene des gespeisten Gleichspannungssystems auf. Dieses Potential läßt sich dadurch erhöhen oder verringern, daß die Anschlußpunkte der Stellerdioden oder der Stellerschalter in Richtung zum Mittelpunkt der Saug drossel hin verlagert werden.
Fig. 25 zeigt beispielhaft die Anordnung nach Fig. 24, nachdem die Anschlußpunkte der Stellerdioden (121) etwas in Richtung zum Mittelpunkt (122) der Saugdrossel (123) verlagert wurden. Damit weist der dem Schaltungseingang abgewandte Anschluß (124) der gemeinsamen Speicherdrossel (125) dann, wenn einer der beiden Stellerschalter (126) leitet und der andere sperrt, ein etwas höheres Potential als den arithmetischen Mittelwert der Potentiale der positiven (127) und der negativen (128) Schiene des gespeisten Gleichspannungssystems (129) auf.
Fig. 26 zeigt eine erfindungsgemäße Einrichtung, bei welcher in konsequenter Fortführung des Gedankens der dynamischen Entkopplung der Stellerschalter nebst zugehöriger Stellerdioden bei parallelbetriebenen Gleichstromstellern mit zusammengefasster Speicherdrossel der ursprünglich enthaltene Gleichstrom-Hochsetzsteller durch eine Kombination (130) von vier parallel geschalteten Hochsetzstellern ersetzt ist, deren Stellerschalter (131) nebst zugehöriger Stellerdioden (132) über eine Konfiguration von drei Saugdrosseln (133) dynamisch voneinander entkoppelt sind und deren ursprünglich getrennte Speicherdrosseln zu einer gemeinsamen Speicherdrossel (134) zusammengefaßt sind, wobei der vom Schaltungseingang abgewandte Anschluß (135) dieser gemeinsamen Speicherdrossel (134) an den Mittelpunkt der Saugdrossel (133) geführt ist.
Nach Einführung dieser Konfiguration von drei Saugdrosseln können die vier Stellerschalter (131) wieder ohne Schwierigkeiten jeweils gleichzeitig oder zyklisch-symmetrisch gegeneinander versetzt ein- und ausgeschaltet werden. Bei der zweitgenannten Betriebsweise ändert sich das Potential des dem Schaltungseingang abgewandten Anschlusses (135) der gemeinsamen Speicherdrossel (134) nunmehr in fünf Stufen.
In völlig analoger Weise kann auch eine grössere Anzahl von Stellerschaltern dynamisch entkoppelt parallel betrieben werden, sofern die Gesamtzahl der Stellerschalter eine ganzzahlige Potenz der Zahl 2 ist.
L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche Einrichtung ohne prinzipbedingte Verluste zur Entnahme von praktisch rein sinusförmigem, netzfrequentem Strom aus Wechselspannungsnetzen und.

zur Oberführung der entnommenen elektrischen Energie in galvanisch verbundene Gleichspannungssysteme oder Gleichspannungs-Zwischen-Systeme, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden Klemmen des speisenden Wechselspannungsnetzes nacheinander ein mit einem Querkondensator abschliessendes, als Tiefpaß wirkendes Eingangsfilter, ein ungesteuerter Gleichrichter in Brückenschaltung, ein Gleichstrom-Hochsetzsteller in potentialverbindender Ausführung (engl.: boost-converter) und ein mit einem Querkondensator beginnendes Gleichspannungssystem oder Gleichspannungs-Zwischen-System nachgeschaltet sind und daß der Gleichstrom-Hochsetzsteller in pptentialverbindender Ausführung in seinem Hauptstromteil derart ausgestaltet ist, daß in seinen beiden Längs zweigen mindestens eine elektrische Drossel - im folgenden Speicherdrossel genannt - und mindestens eine Diode - im folgenden Stellerdiode genannt - angeordnet sind und die beiden Längszweige in Querrichtung über einen elektronischen Schalter - im folgenden Stellerschalter genannt -miteinander verbunden sind, wobei, jeweils von der Eingangsseite des Hochsetzsteller her gesehen, die Speicherdrossel(n) vor dem durch den Stellerschalter gebildeten Querzweig und die Stellerdiode(n) nach diesem Querzweig eingefügt sind und daß die Spannung des genannten Gleichspannungssystems oder Gleichspannungs-Z.wischen-Systems höher ist als der periodische Scheitelwert der Nominalspannung des speisenden Wechselspannungsnetzes und daß die Umschaltfrequenz des Stellerschalters groß ist gegenüber der Frequenz des speisenden Wechselspannungsnetzes und daß die Sinus form des dem Eingangs filter zufliessenden Wechselstroms über die Vorgabe jenes Zeitintervalls - im folgenden Einschaltdauer genannt -, währenddessen der Stellerschalter elektrisch leitend ist,und/oder über die Vorgabe jenes Zeitintervalls - im folgenden Ausschaltdauer genannt -, währenddessen der Stellerschalter gesperrt ist, bewirkt wird und daß die Amplitude und der Effektivwert des dem Eingangs filter zufliessenden Wechselstroms über die Vorgabe der Einschaltdauer und/oder über die Vorgabe der Ausschaltdauer des Stellerschalters eingestellt wird.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem dort genannten Gleichspannungs-Zwischen-System Energie aufnehmende Gleichstromsysteme oder Wechsel- bzw. Drehstromsysteme beliebiger Frequenz gespeist werden.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung des dort genannten Gleichspannungssystems oder Gleichspannungs-Zwischen-Systems über eine Beeinflussung der Leistungszufuhr zu diesem und/oder eine geeignete Beeinflussung der Leistungsabfuhr von diesem weitgehend konstant gehalten wird.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellerschalter durch eine zusätzliche Einrichtung von seiner Verlustleistungsbeanspruchung beim Ausschalten entlastet ist.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellerschalter durch eine zusätzliche Einrichtung von hoher Verlustleistungsbeanspruchung während des Einschaltens und überhöhter Sperrspannungsbeanspruchung beim Ausschalten befreit ist
6. Einrichgung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum dort genannten Gleichspannungssystem oder Gleichspannungs-Zwischen-System ein elektrischer Saugkreis geschaltet ist, dessen Resonanzfrequenz doppelt so hoch ist wie die Frequenz des speisenden Wechselspannungsnetzes.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellerschalter frühestens dann eingeschaltet oder wieder eingeschaltet wird, wenn durch die Speicherdrossel kein nennenswerter Strom mehr fliesst.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschaltdauer des Stellerschalters konstant vorgegeben wird.
9. Einrichtung nach Anspruch 7,dadurch gekennzeichrvety daß die Einschaltdauer des Stellerschalters über einen mit dem speisenden Wechselspannungsnetz synchronisierten, digital oder analog realisierten, zeitabhängigen Funktionsgeber gesteuert wird.
10. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschaltdauer des. Stellerschalters über einen Funktionsgeber gesteuert wird, welcher vom Momentanwert einer Spannung geführt wird, die durch eine eine Phasennacheilung bewirkende Phasendrehung und anschliessende Vollweggleichrichtung aus der Spannung des speisenden Wechselspannungsnetzes gebildet werden kann.
11. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschaltdauer des Stellerschalters von einem Regler vorgegeben wird, welcher die Einstellung der Sinus form und/oder des Effektivwerts des dem Eingangsfilter zufliessenden Stroms besorgt.
12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert für den dort genannten Regler über Bausteine ohne Zeitverhalten aus einer Spannung gebildet wird, welche der Spannung des speisenden Wechselspannungsnetzes in ihrer Phasenlage nacheilt.
13. Einrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschaltdauer des Stellerschalters zusätzlich über einen Funktionsgeber entsprechend Anspruch 9 oder 10 vorgesteuert wird.
14. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellerschalter jeweils dann wieder ausgeschaltet wird, wenn der Strom durch die Speicherdrossel einen Grenzwert erreicht hat, welcher mit der doppelten Frequenz des speisenden Wechselspannungsnetzes periodisch vorgeschrieben wird.
15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der dort genannte Grenzwert für den Strom durch die Speicherdrossel proportional zum Momentanwert einer Spannung vorgeschrieben wird, die durch eine eine Phasennacheilung bewirkende Phasendrehung und anschliessende Vollweggleichrichtung aus der Spannung des speisenden Wechselspannungsnetzes gebildet werden kann.
16. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der dort genannte Grenzwert des Stromes durch die Speicherdrossel über einen mit dem speisenden Wechselspannungsnetz synchronisierten, digital oder analog realisierten, zeitabhängigen Funktionsgeber vorgegeben wird.
17. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der dort genannte Grenzwert des Stromes durch die Speicherdrossel über einen Funktionsgeber vorgegeben wird, welcher vom Momentanwert einer Spannung geführt wird, die durch eine eine Phasennacheilung bewirkende Phasendrehung und anschliessende Vollweggleichrichtung aus der Spannung des speisenden Wechselspannungsnetzes gebildet werden kann.
18. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der dort genannte Grenzwert des Stromes durch die Speicherdrossel von einem Regler vorgegeben wird, welcher die Einstellung der Sinusform und/oder des Effektivwertes des dem Eingangsfilter zufliessenden Stromes besorgt.
19. Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert für den dort genannten Regler über Bausteine ohne Zeitverhalten aus einer Spannung gebildet wird, welche der Spannung des speisenden Wechselspannungsnetzes in ihrer Phasenlage nacheilt.
20. Einrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Grenzwert des Stromes durch die Speicherdrossel zusätzlich über einen Funktionsgeber entsprechend Anspruch 16 oder 17 vorgesteuert wlrd.
21. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9, 10, 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die dort genannten Funktionsgeber über eine Signalspannung zusätzlich beeinflusst werden können und daß diese Signalspannung im Wege einer Steuerung oder Regelung die Einstellung der Sinusform und/oder des Effektivwerts des dem Eingangsfilter zufliessenden Stroms besorgt.
22. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellerschalter jeweils sofort wieder eingeschaltet wird, wenn durch die Speicherdrossel kein nennenswerter Strom mehr fließt.
23. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 2ts dadurch gekennzeichnet, daß der Stellerschalter jeweils erst dann wieder eingeschaltet wird, wenn seit dem letzten Nullwerden des Stromes durch die Speicherdrossel ein bestimmtes Zeitintervall - im folgenden Lückdauer genannt - abgelaufen ist.
24. Einrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Lückdauer des Stromes durch die Speicherdrossel über einen mit dem speisenden Wechselspannungsnetz synchronisierten, digital oder analog realisierten, zeitabhängigen Funktionsgeber vorgegeben wird und daß dieser Funktionsgeber zur Einstellung der Sinus form und/oder des Effektivwerts des dem Eingangsfilter zufliessenden Wechselstromes über eine Signalspannung zusätzlich beeinflusst wird.
25. Einrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Lückdauer des Stromes durch die Speicherdrossel über einen Funktionsgeber gesteuert wird, welcher vom Momentanwert einer Spannung geführt wird, die durch eine eine Phasennacheilung bewirkende Phasendrehung und anschliessende Vollweggleichrichtung aus der Spannung des speisenden Wechselspannungsnetzes gebildet werden kann und daß dieser Funktionsgeber zur Einstellung der Sinus form und/oder des Effektivwertes des dem Eingangsfilter zufliessenden Wechselstromes über eine Signalspannung zusätzlich beeinflusst wird,
26. Einrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Lückdauer des Stromes durch die Speicherdrossel von einem Regler vorgegeben wird, welcher die Einstellung der Sinus form und/oder des Effektivwertes des dem Eingangs filter zufliessenden Stromes besorgt.
27. Einrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert für den dort genannten Regler über Bausteine ohne Zeitverhalten aus einer Spannung gebildet wird, welche der Spannung des speisenden Wechselspannungsnetzes in ihrer Phasenlage nacheilt.
28. Einrichtung nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingriff des Reglers für den Wechselstrom, welcher dem Eingangsfilter zufliesst, über die Signalspannung eines Funktionsgebers nach Anspruch 24 oder 25 erfolgt.
29. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal für die Information, daß der Strom durch die Speicherdrossel zu Null geworden ist bzw. keine nennenswerte Größe mehr aufweist, an einer, auf die Speicherdrossel zusätzlich aufgebrachten Hilfswicklung abgenommen wird, deren Ausgangsspannung bei jedem Wechsel der Polarität der Anderungsgeschwindigkeit des Stromes durch die Speicherdrossel ihr Vorzeichen umkehrt.-
30. Einrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Stellerschalter zugeführte Ansteuerleistung, insbesondere bei dessen Abschalten, so groß gewählt wird, daß die dort genannte, auf der Speicherdrossel aufgebrachte Hilfswicklung auch dann ein Signal für das Nullwerden des Stromes durch die Speicherdrossel liefert, wenn die Spannung des speisenden Wechselspannungsnetzes den Wert Null oder sehr kleine Werte aufweist.
31. Anordnung zur Entnahme von praktisch rein sinusförmigem Strom aus Drehspannungsnetzen und zur Oberführung der entnommenen elektrischen Energie in galvanisch verbundene Gleichspannungssysteme oder Gleichspannungs-Zwischen-Systeme dadurch gekennzeichnet, daß drei Einrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 30 mit ihrer Wechselspannungsseite jeweils an zwei Außenleiter des Drehspannungsnetzes oder an jeweils einen Außenleiter des Drehspannungsnetztes und dessen vorhandenen oder ergänzend gebildeten Mittelpunktleiter angeschlossen sind und daß diese drei Einrichtungen ihre elektrische Energie unter Einsatz zusätzlicher Entkoppeldioden auf ein gemeinsames Gleichspannungssystem oder Gleichspannungs-Zwischen-System übertragen.
32. Anordnung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß jede der drei dort genannten Einrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 30 an ihrem Gleichspannungsausgang zunächst auf einen Kondensator-Zwischenspeicher arbeitet und daß diese Kondensatorzwischenspeicher unter Zwischenschaltung von mindestens je einem Thyristor, vorzugsweise jedoch unter Zwischenschaltung von je zwei Thyristoren, die ihnen zugeführte elektrische Energie in zyklisch-symmetrischer Folge über eine gemeinsame elektrische Drossel auf das gemeinsame Gleichspannungssystem oder Gleichspannungs-Zwischen-System übertragen.
33. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der dort verwendeten Gleichstrom-Hochsetzsteller in potentialverbindender Ausführung (engl.: boost-converter) sogenannte Gleichstrom- Hoch-und Tiefsetzsteller in potentialverbindender Ausführung (engl.: buck-boost-converter) eingesetzt werden.
34. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß der dort enthaltene Gleichstrom-Hochsetzsteller durch eine Kombination zweier Gleichstrom-Hochsetzsteller ersetzt ist, deren Stellerschalter nebst zugehöriger Stellerdioden über eine sogenannte Saugdrossel dynamisch voneinander entkoppelt sind,und deren ursprünglich getrennte Speicherdrosseln zu einer gemeinsamen Speicherdrossel zusammengefaßt sind, wobei der vom Schaltungseingang abgewandte Anschluß dieser gemeinsamen Speicherdrossel an den Mittelpunkt der Saugdrossel geführt ist.
35. Einrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß die dort enthaltenen beiden Stellerschalter jeweils gleichzeitig ein- und ausgeschaltet werden.
36. Einrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß die dort enthaltenen beiden Stellerschalter derart ein- und ausgeschaltet werden, daß die Einschaltzeitpunkte bzw. Ausschaltzeitpunkte eines der beiden Stellerschalter jeweils in der Mitte des Zeitintervalls zwischen zwei Einschaltzeitpunkten bzw. Ausschaltzeitpunkten des anderen Stellerschalters liegen.
37. Einrichtung nach Anspruch 34 dadurch gekennzeichnet, daß bei hohen und niedrigen Momentanwerten der Spannung des speisenden Wechselspannungsnetzes nach dem Steuerungsprinzip entsprechend Anspruch 36 und bei mittleren Momentanwerten der Spannung des speisenden Wechselspannungsnetzes nach dem Steuerungsprinzip entsprechend Anspruch 35 verfahren wird.
38. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß der dort enthaltene Gleichstrom-Hochsetzsteller durch eine Kombination von Gleichstrom-Hochsetzstellern ersetzt ist, deren Anzahl eine ganzzahlige Potenz der Zahl 2 beträgt und deren Stellerschalter nebst zugehöriger Stellerdioden über hintereinandergeschaltete Saugdrosseln dynamisch voneinander entkoppelt sind, wobei die Anzahl dieser Saugdrosseln halb so groß ist wie jene der Stellerschalter, und deren ursprünglich getrennte Speicherdrosseln zu einer gemeinsamen Speicherdrossel zusammengefaßt sind, wobei der vom Schaltungseingang abgewandte Anschluß dieser gemeinsamen Speicherdrossel an den Mittelpunkt der zentralen Saugdrossel geführt ist.