DE3241413A1

DE3241413A1 - Stromversorgungsschaltung

Info

Publication number: DE3241413A1
Application number: DE19823241413
Authority: DE
Inventors: Takayoshi Maeda; Yoshiaki Tomofuji
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1981-11-11
Filing date: 1982-11-09
Publication date: 1983-06-09
Also published as: JPS5883584A; DE3241413C2; US4533987A

Description

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"Stromversorgungsschaltung"

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungsschaltung mit einer dreiphasigen Stromquelle.

Eine derartige Schaltung bekannter Art ist in Figur 1 dargestellt. Figur 2 zeigt Spannungs- und Stromdiagramme an bestimmten Punkten dieser Schaltung. Die Schaltung nach Figur 1 enthält eine mit einer dreiphasigen Stromquelle 1 verbundene Vollwellen-Gleichrichterbrücke, bestehend aus den Dioden D₁ bis D,. nie Wochselspannungen werden in eine Gleichsnannung V_Q umgewandelt, die sodann einem Wechselrichter 2 zugeführt wird, der an seinem Ausgang eine Wechseloder HF-Spannung liefert, die an einer Last 3 anliegt.

Figur 3 zeigt ein Schaltungsbeispiel des Wechselrichters 2, im wesentlichen bestehend aus einer Schwingschaltung mit den Transistoren Q₁ und Q₂ sowie einem Transformator T. Bei der Last 3 kann es sich um ein beliebiges Wechselspannungsgerät, z.B. einen Motor usw., handeln. In manchen Fällen wird die Drehzahl des Motors durch Änderung der Schwingfrequenz oder der Ausgangssnannung des Wechselrichters 2 gesteuert. Bei mit Gleichstrom arbeitenden Geräten kann der Wechselrichter 2 entfallen.

Bei einer derartigen Stromversorgungsschaltung werden die Wechselströme entsprechend den drei Phasen, die die Eingangssignale darstellen, durch die Gleichrichterdioden D₁ bis D,

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einer Vollwellen-Gleichrichtung unterzogen, so daß die Eingangs spannungen der jeweiligen Phasen miteinander in Vergleich zu setzen sind. Betrachtet man eine Halbwelle einer einphasigen Spannung, so wird an die Last Leistung nur in dem Bereich von 2/3 % übertragen, in welchem die Spannung höher ist als in den beiden anderen Phasen. Infolge dessen hat das Diagramm des Netz stromes I der dreiphasigen Stromquelle während einer

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Halbwelle den in Figur 2 gezeigten Verlauf, besitzt also während 2/3 1t radian einen bestimmten Viert und ist während 1/3 7Γ radian gleich Null. Der Verzerrungs- oder Klirrfaktor dieses Netzstromes I wurde dem zufolge mit bis zu 27 % gemessen. Ein großer Verzerrungsfaktor bedeutet einen hohen Oberwellenanteil/· welcher wiederum zu erhöhten Verlusten in dem Transformator führt. Bei der dreiphasigen Stromquelle ist der Sekundärausgang als Dreieckschaltung ausgeführt. Dies führt zu einem Kurzschlußstrom infolge der dritten Oberwelle, der die Verluste noch weiter vergrößert. Der Wirkungsgrad des Transformators der Stromversorgung verringert sich daher, so daß also weniger Leistung entnommen werden kann als der ursprünglichen Auslegung entspricht. Umgekehrt ist bei einer die vorstehenden Überlegungen berücksichtigenden Auslegung ein größerer Transformator nötig, was unwirtschaftlich ist. Da die in dem Transformator entstehenden Verluste zum überwiegenden Teil in Wärme umgewandelt werden, verkürzt sich weiterhin die Lebensdauer des Transformators. Wenn .wiederum umgekehrt die Auslegung eine größere Temperaturfestigkeit berücksichtigt, steigen die Kosten. Als Alternative zu einer derartigen Stromversorgungsschaltung ist die Schaltung gemäß der US-PS 4 143 414 anzusehen. Hierin ist für jede Phase der dreiphasigen Stromquelle ein Wechselspannungs/Gleichspannungs— Wandler vorgesehen, der aus einem ersten Gleichrichter, einem Wechselrichter und einem zweiten Gleichrichter besteht, wobei die Ausgangsleistung durch Parallelschaltung der Gleichspannungsausgänge der entsprechenden Wandler erhalten wird. Auch bei dieser Schaltung findet jedoch ein Spannungsvergleich statt, da die jeweiligen zweiten Gleichrichter in der letzten Gleichspannungsausgangsstufe parallel geschaltet sind. Auf der dreiphasigen Wechselspannungsseite ergibt sich also eine Zeit ohne Stromfluß mit der Folge eines entsprechend hohen Verzerrungsfaktors. Diese Schaltung hat also die gleichen Nachteile wie die zuvor ausführlicher beschriebene Schaltung. Mit dem Anstieg der Zahl der Stromversorgungsschaltungen parallel

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zu der zunehmenden Verbreitung elektronischer Schaltungen gewinnen die genannten Probleme, die sich aus der Netzstromverzerrung ergeben, zunehmend an Bedeutung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromversorgungsschaltung zu schaffen, die diese Probleme vermeidet und an ihrem Ausgang eine HF-Leistung nahezu konstanter Amplitude liefert.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegeben.

Anspruch 2 betrifft eine vorteilhafte Weiterbildung.

Die hier vorgeschlagene Stromversorgungsschaltung führt zu einer erheblichen Verminderung der NetzStromverzerrung der dreiphasigen Stromquelle, dem-zufolge verringerten Verlusten, kleineren Abmessungen eines entsprechenden Stromversorgungsgerätes und einem verbesserten Wirkungsgrad.

In den weiteren Figuren der Zeichnung ist eine StromversorqunrfssohaltuncT nach der Erfindung in beispielsweise gewählten Ausführungsformen und erläuternden Diagrammen dargestellt. Es zeigt:

Figur 4 ein Diagramm zur Erläuterung der

Arbeitsweise der Stromversorung nach der Erfindung,

Figur 5 eine erste Ausführungsform der Schaltung,

Figur 6 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeits

weise dieser Schaltung,

Figur 7 eine zweite Ausführungsform der Schal

tung und

Figur 8 ein Anwendungsbeispiel der Schaltung zur

Versorgung einer Entladungslampe. - 5 -

Das Diagramm der Figur 4 zeigt die prinzipielle Arbeitsweise der Schaltung nach der Erfindung. Die gestrichelt gezeichneten Kurven V^/ ^vo-i ^un<^ V₂- sind die sinusförmigen Spannungsverläufe der dreiphasigen Stromquelle, die gegeneinander um 120° (2/3 % radian) phasenverschoben sind. Eine wesentliche Eigenschaft des Dreiphasen-Wechselstromes besteht darin, daß die Summe der Leistungen in allen Phasen zu jedem Zeitpunkt konstant und folglich nicht zeitabhängig ist. Beispielsweise ist bei handelsüblichen, allgemein verwendeten Geräten, die mit symmetrischem dreiphasigen Wechselstrom arbeiten, die Leistung P = 3 · E · I · cos <y , worin E und I die Effektivwerte der verketteten Spannung bzw. des verketteten Stroms und cos (f der Leistungsfaktor bei Dreieckschaltung der Last sind. Auf diese Weise kann eine konstante Leistung an die Last übertragen werden, wobei die Eingangswechselströme der dreiphasigen Stromquelle ihre Sinusform behalten. Bei einer einphasigen Stromquelle erfährt die ursprüngliche Leistung eine Änderung des Sinusverlaufes, so daß es nicht möglich ist, der Last eine konstante Leistung zuzuführen und hierbei die Verzerrung des Exngangswechselstromes gering zu halten. Die Dreiphasen-Vollweggleichrichterschaltung hat diese Eigenschaft nicht sondern führt zu größeren Verzerrungen der Eingangswechselströme. Es ist daher notwendig, die jeweiligen Leistungen dreiphasiger Wechselströme in Uberlagerbarer Form zur Verfügung zu stellen, aber wenn die überlagerung im Dreiphasensystem geschiet, wenn also beispielsweise lediglich ein Transformator mit jeder Phase verbunden wird und die Ausgänge der drei Transformatoreinheiten in Serienschaltung überlagert werden, so wird die Summe der Spannungen gleich Null, so daß die Last nicht mit Leistung versorgt werden kann. Die Erfindung ermöglicht jedoch die jeweiligen Teilleistungen dadurch zu überlagern, daß jede der Dreiphasen-Wechselspannungen in eine Hochfrequenzspannung umgerichtet wird. Wenn wie in Figur 4 dargestellt, jede der Dreiphasen-Wechselspannungen in Hochfrequenzspannungen umgerichtet werden, die die gleiche Frequenz

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haben und den Nulldurchgang gleichzeitig machen, sind die den Spannungen V₃₃ und V-... entsprechenden Hochfrequenzspannungen dieses Beispiels in Phase und die der Spannung V₁₂ entsprechende Hochfrequenzspannung hat gegenüber den vorhergenannten eine Phasenverschiebung von 180°. Während eines Zeitintervalls t bestehen also nur zwei Spannungsarten; von denen die eine positiv, die andere negativ ist. Zwei Wechselströme, die um 180° phasenverschoben sind, lassen sich nach Herstellung der Gleichphasigkeit sehr einfach überlagern. Die Gleichphasigkeit wird einfach durch Vertauschung des Anschlusses auf der Sekundärseite des Transformators erreicht. Auf diese Weise wird es möglich, die jeweiligen dreiphasigen Wechselspannungsleistungen zu überlagern, worbei ihre Überlagerung in Serie zu einer hochfrequenten Leistung führt, deren Amplitude zeitunabhängig konstant ist. Die konstante Amplitude ergibt sich aus der Umrichtung der jeweiligen Dreiphasenleistungen in Hochfrequenzwellen bzw. -leistungen und Überlagerungen, was der Forderung nach Erzielung konstanter Leistung nicht widerspricht. Mit anderen Worten ist diese Verfahren gleichzusetzen der Umrichtung einer Dreiphasen-Wechselspannungsleistung in eine zeitunabhängige konstante Leistung und deren nachfolgende Hinrichtung in eine HF-Leistung ohne weitere Maßnahmen, wobei diese beiden Schritte gleichzeitig durchgeführt werden. Dieser Vorschalg ermöglicht eine erhebliche Verminderung der Verzerrung der " Eingangswechselströme.

Figur 5 zeit eine erste Ausführungsform der Schaltung, die das vorstehend beschriebene Arbeitsprinzip verwirklicht. An die Netzleiter P₁ und P₃ einer dreiphasigen Stromquelle 1 ist ein Wechselrichter 4 angeschlossen, der einen Gleichrichter DB, Schaltelemente Q₁ und Q-, beispielsweise Transistoren, einen Ausgangstransformator T, eine Stromquelle E„, die den Steuerstrom für die Schaltelemente liefert, sowie Widerstände R₁ und R umfaßt. An die Netzleiter P₂ und P₃ sowie P₃ und P₁ sind gleichartige Wechselrichter 4· und 4" angeschlossen.

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Die Sekundärseiten der Ausgangstransformatoren der jeweiligen Wechselrichter sind in Serie geschaltet und liefern Leistung an eine Last 3. Der Wechselrichter 4 wird gleichzeitig zur Steuerung der Schwingfrequenz der anderen Wechselrichter benutzt, so daß die Nulldurchgänge gleichzeitig stattfinden. Hierzu werden die Steuer- oder Schaltsignale des Wechselrichters 4 den Steuereingängen der Schaltelemente der anderen Wechselrichter zugeführt. Die Ausgangstransformatoren liefern die in Figur 4 dargestellten HF-Spannungen, wobei die Sekundärwicklungen so miteinander verschaltet werden, daß bei der Serienschaltung alle Spannungen bzw. Wellenzüge gleichphasig sind.

Bei der nachfolgenden Funktionsbeschreibung wird auf die Erläuterung der Arbeitsweise der Wechselrichter selbst verzichtet. Während der Wechselrichter 4 mit Selbsterregung arbeitet, benötigen die Wechselrichter 4' und 4" eine Fremderregung. Hierzu hat der Transformator T des Wechselrichters 4 zusätzliche Wicklungen I, I¹ und II, II¹ , an denen das selbe Schaltsignal zur Verfügung steht, das die Schaltelemente Q₁ und Q₂ des Wechselrichters 4 abwechselnd durchlässig schaltet und sperrt. Jede dieser beiden zusätzlichen Wicklungen ist mit den Steueranschlüssen der Schaltelemente der Wechselrichter 4¹ und 4" verbunden, so daß diese mit der gleichen Frequenz und Phasenlage wie der Wechselrichter 4 schwingen und damit die Verwirklichung des in Figur 4 dargestellten Prinzips gestatten. Die Diagramme der Figur 6 zeigen, daß der Wechselrichter 4 von einem Strom I₁₂ durchflossen wird, der in Phase mit der Spannung V₁₂ zwischen den Netzleitern P₁ und P₂ ist. In gleicher Weise durchfließt den Wechselrichter 4" ein Strom I₁T/ der in Phase mit der Spannung V₃₁ ist. Der Netzstrom I₁ ist die Summe aus diesen Strömen I₁ und I₁₃. Der Verzerrungs- oder Klirrfaktor des Netzstromes I₁ beträgt hierbei 9 %, also nur noch ein Drittel des einleitend genannten Wertes, wobei eine weitere Verminderung auf 3 % durch Verwendung eine Oszillator-Wechsel-

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richters möglich ist. Die anderen Netzströme I- und I₃ haben den gleichen Verlauf und untereinander eine Phasenverschiebung von jeweils 120°. Diese Ströme liefern im Ergebnis an die Last 3 eine HF-Leistung konstanter Amplitude.

Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Schaltung nach der Erfindung, bei welcher die Ausgänge der Wechselrichter 4, 4¹ und 4" in Serie geschaltet einen Gleichrichter DB¹ speisen, dem ein Glättungskondensator C nachgeschaltet ist, auf den dann die gleichspannungsgespeiste Last 3 folgt. Da der dreiphasige Wechselstrom in eine überlagerte Hochfrequenzspannung entsprechend einer konstanten, zeitunabhängigen Leistung umgeformt ist, ist auch die Amplitude konstant, so daß der Glättungskondensator nur einer verhältnismäßig kleine Kapazität zu haben braucht. Wie im Fall der Ausführungsform nach Figur 5 ist die Verzerrung des Eingangswechselstromes gering. Hierdurch wird eine Verminderung der Verluste in dem Wechselrichtertransformator mit einer entsprechenden Erhöhung, des Wirkungsgrades und einer Verkleinerung der Geräteabmessungen erzielt.

Figur 8 zeigt die Anwendung einer Stromversorgungsschaltung der hier vorgeschlagenen Art zur Speisung einer Entladungslampe. An den Ausgang sind in Serie eine Drosselspule CH und eine Entladungslampe LA als Last angeschaltet. Bei einer Entladungslampe mit einem Wechselrichter als einphasige Stromversorgung wurde eine Verzerrung bzw. ein Klirrfaktor des Eingangswechselstromes im Bereich von 30 % festgestellt, was erhebliche Nachteile hat. Da es wünschenswert ist, die Amplitude der Hochfrequenzspannung durch Verwendung einer Gleichspannungsquelle konstant zu halten, um die Lichtausbeute zu erhöhen und hierdurch Leistung einzusparen,, ist eine Gleichrichter- und Glättungsschaltung erforderlich, die den notwendigen Gleichstrom aus einer einphasigen Wechselspannungsquelle erzeugt. Der Eingangsstrom ist dann zeitweise gleich Null,

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wodurch sich eine zusätzliche Erhöhung der Verzerrungen ergibt. Mit einphasigen Spannungsquellen war es daher bislang nicht möglich, die Lichtausbeute einer Entladungslampe zu erhöhen und gleichzeitig die Verzerrung des Eingangswechselstromes klein zu halten. Dem gegenüber liefert die Schaltung nach der Erfindung eine Hochfrequenzspannung mit konstanter Amplitude und geringer Verzerrung des Eingangswechselstromes, führt also zu einer Erhöhung der Lichtausbeute von Entladungslampen bei gleichzeitiger Leistungseinsparung· Sofern die Ausgangstransformatoren innerhalb der Wechselrichter 4, 4¹ und 4" mit Luftspalt ausgeführt sind, kann außerdem die Drosselspule entfallen.

Die hier vorgeschlagene Stromversorgungsschaltung mit Hochfrequenz-Leistungswechselrichtern zur Umrichtung der einzelnen Phasen einer dreiphasigen Stromversorgung in Hochfrequenzspannungen, die phasenrichtig überlagert werden, führt nicht nur zu einer sehr geringen Verzerrung der Eingangswechselströme sondern ergibt auch eine konstante Ausgangsleistung, hat einen hohen Wirkungsgrad und gestattet die Verwendung kleiner und preiswerter Stromversorgungstransformatoren. Außerdem werden Störungen auf den Versorgungsleitungen sowie Störungen anderer Geräte vermieden. In gleicher Weise wie .vorstehend für dreiphasige.Wechselspannungsnetze beschrieben, kann die Schaltung nach entsprechender Anpassung auch für mehr als dreiphasige Netze verwendet werden.

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Claims

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Patentanwälte

Dietrich Lewinsky

Heinz - Joachim Huber

Reiner Prietsch

Gotthardstr. 81

München 21

Matsushita Electric Works, Ltd. 9* November 1982

14.433-IV/ek

Patentansprüche :

/ 1./Stromversorgungsschaltung mit aus einer dreiphasigen Spannungsquelle gespeisten Gleichrichtern, dadurch gekennzeichnet , daß Wechselrichter (4, 4',4") die Leistungen der drei Phasen der Spannungsquelle (1) einzeln in Hochfrequenzleistungen untereinander gleicher Frequenz umformen; wobei eine? Steuerschaltung die Wechselrichter synchron steuert, so daß deren Ausgangsspannunqen gleichzeitig ihre Nulldurchgänge haben, und daß die Ausgänge der Wechselrichter phasenrichtig in Serie geschaltet sind und eine gemeinsame Hochfrequenzleistung liefern.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie ausgangsseitig eine Gleichrichter- und Glättungsschaltung (DB¹, C) enthält.