DE60026165T2

DE60026165T2 - Verfahren und schaltung zum gebrauch einer polarisierten vorrichtung in wechselstromverwendungen

Info

Publication number: DE60026165T2
Application number: DE60026165T
Authority: DE
Inventors: Jr. William B. Odessa Duff
Original assignee: DUFF JUN; Duff jun William B Odessa
Current assignee: DUFF JUN; Duff jun William B Odessa
Priority date: 2000-01-04
Filing date: 2000-12-06
Publication date: 2006-11-23
Anticipated expiration: 2020-12-07
Also published as: EP1252697B1; BR0016794A; NO20023225L; NZ519772A; ATE318457T1; US7521900B2; US20040183503A1; US6548989B2; US6900617B2; US7245110B2; CZ300880B6; MA25707A1; GC0000163A; PE20010936A1; AR026793A1; HK1051090B; SI1252697T1; AU2004200849A1; IL150515A0; CA2396396A1

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen die Verwendung von polarisierten elektrischen Ladungsspeichervorrichtungen in Wechselspannungsanwendungen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung das Vorspannen von polarisierten Vorrichtungen, wie z.B. polarisierten Kondensatoren, mit einem Gleichspannungspotential für Verwendungen in allgemeinen Wechselspannungsanwendungen.
HINTERGRUND
Kondensatoren werden für eine Vielfalt von Zwecken verwendet, einschließlich Energiespeicherung, Signalkopplung, Motorstart, Leistungsfaktorkorrektur, Spannungsregelung, Abstimmung, Resonanz und Filterung. In Reihen- und Parallelimplementierungen gibt es viele Betriebsvorteile, sowohl vorübergehende als auch stationäre, zum Implementieren von Kondensatoren in allgemeinen Wechselspannungsnetzwerken.
Die Netzwerkeffizienz wird mit der Leistungsfaktorverbesserung während vorübergehenden Bedingungen erhöht. Vorübergehende Anwendungen von Reihenkondensatoren umfassen Spannungsstoßschutz, Motorstart, Strombegrenzung, Schaltoperationen und dergleichen. Reihenkondensatoren können die Effekte von Wechselspannungsnetzwerkfehlern und anderen vorübergehenden Bedingungen mäßigen. Vorübergehende Ströme mit niedrigem Leistungsfaktor sind beispielsweise aufgrund eines Motorstarts mit Einschaltstromstößen, Transformator-Einschaltstromstößen und Fehlerströmen verbunden. Die Reihenkapazität verbessert den Gesamtleistungsfaktor und die Netzwerkspannungsregelung während dieser vorübergehenden Bedingungen. Reihenkondensatorbänke demonstrieren auch einen Grad an Strombegrenzung aufgrund der Reihenimpedanz des Kondensators. Dies verringert Fehlerströme und verringert folglich die Generator-, Transformator-, Schaltanlagen-, Bus- und Übertragungsleitungs-Größenanforderungen. Der Kondensator in Reihe mit dem Fehler wirkt als Strombegrenzungsvorrichtung. Abgestimmte Schaltungen, die aus Induktoren und Kondensatoren bestehen (LC-Schaltungen), werden zur Filterung verwendet. Eine Reihenversion mit hoher Induktion kann die Netzwerkfehlerimpedanz durch absichtliches Kurzschließen der Kondensatorbank drastisch erhöhen. Eine Reihenkondensatorbank ist typischerweise mit einem Transformator gekoppelt. Die Transformatorgegenwirkung gegen eine momentane Stromänderung kombiniert sich mit einer Kondensatorgegenwirkung gegen eine momentane Spannungsänderung. Diese Eigenschaften führen zu einer größeren momentanen Netzwerkspannungsstabilität infolge der erhöhten Verwendung von Reihenkondensatorbänken. Sekundäre Effekte umfassen den Spannungsstoßschutz, die Verbrauchsfaktorverbesserung und die Spannungsregelung. Der momentane Leistungsübertragungswirkungsgrad kann mit einer zweckmäßigen Kondensatorverwendung verbessert werden. Obwohl diese vielen Reihenkondensatorvorteile gut bekannt sind und im Labor bewiesen wurden, haben Einheitskosten und Größenanforderungen ihre allgemeine Implementierung verhindert.
Die stationären Wechselspannungsnetzwerkeigenschaften werden auch durch die Integration von Kondensatoren verbessert. Serienanwendungen mit hoher Kapazität legen eine stationäre niedrige Wechselspannung an den Kondensator an. Dies ist hilfreich, wenn elektrische Übertragungsvorrichtungen in Verbindung mit Reihenkondensatorbänken verwendet werden. Die Verzerrung elektrischer Wellen wird ebenso mit zunehmender Kapazität verringert. Stationäre Reihenkondensatoranwendungen umfassen Motorbetrieb, Filterung, Leistungsfaktorkorrektur, effiziente Leistungsübertragung, Spannungsverstärkung und dergleichen. Reihenkondensatorbänke ermöglichen, daß Induktionsgeneratoren Induktionsmotoren speisen, indem die erforderliche Magnetisierung [VARs] für beide Vorrichtungen bereitgestellt wird. Dies kann auch die Leistungsqualität verbessern, während die Kosten von alternativen Quellen mit elektrischem Gitter, Notstromversorgungen, einer mobilen Anlage und von tragbaren Generatoren verringert werden. Eine mechanische Spannung, die damit verbunden ist, daß eine zusätzliche Erzeugungskapazität auf die Leitung für den synchronen Betrieb gebracht wird, kann durch die Anwesenheit einer kapazitiven Reihenkopplung gemäßigt werden.
Die zwei Hauptkondensatorkategorien sind polar und nicht-polar. Es gibt viele Ausführungen jeder Kategorie. Aufgrund ihrer unidirektionalen Durchlaßvorspannungsanforderungen werden polarisierte Kondensatoren meistens in Gleichspannungs- und Wechselspannungs-Kleinsignalanwendungen verwendet. Polarisierte Kondensatoren werden in Gleichspannungsfilteranwendungen wie z.B. Ausgangsstufen von Gleichspannungsversorgungen umfangreich verwendet. Verstärker für hörbare Frequenzen (Musik) verwenden einen mit Gleichspannung vorgespannten polarisierten Kondensator, um Signale zu koppeln. Im Gegensatz dazu sind nicht-polarisierte Kondensatoren im allgemeinen sowohl in Gleichspannungs- als auch allgemeinen Wechselspannungsanwendungen nützlich. Leider eignen sich nicht-polarisierte Kondensatoren – insbesondere in Reihenanwendungen – nicht gut für viele Wechselspannungs- und Gleichspannungsverwendungen aufgrund ihrer Begrenzungen in der Größe, in der Kapazität, im Gewicht, im Wirkungsgrad, in der Energiedichte und in den Kosten. Die Verwendung von verkleinerten nicht-polaren Kondensatorbänken verursacht eine signifikante Stromwellenformverzerrung und einen großen Spannungsabfall über dem Kondensator, was zu Energieverlusten und einer schlechten Wechselspannungsregelung an der Wechselspannungslast führt.
Im Gegenteil weisen polarisierte Kondensatoren sowie andere polarisierte elektrische Ladungsspeicher- (PECS) Vorrichtungen niedrige Kosten pro Kapazitätseinheit sowie eine kleinere Masse und kleinere Abmessungen im Vergleich zu nicht-polaren Kondensatoren auf. Diese Eigenschaften begünstigen ihre Verwendung gegenüber nicht-polarisierten Kondensatoren. Sie weisen auch einen relativ niedrigen Reihenwechselspannungswiderstand bei Leistungsfrequenzen auf. Sie können jedoch nur mit positiven "Durchlaß"-Spannungen relativ zu ihren positiven und negativen Polen wirksam betrieben werden. Eine umgekehrte Spannung mit irgendeinem signifikanten Betrag verursacht, daß der Kondensator kurzschließt, was gewöhnlich zu einer Explosion führt, die zu jener einer Handgranate vergleichbar sein kann. Mit festen Tantalkondensatoren umfaßt dieser Kurzschlußausfallmodus tatsächlich eine spontane Verbrennung. Folglich waren polarisierte Kondensatoren größtenteils nicht für allgemeine Wechselspannungsanwendungen zugänglich.
1 modelliert den normalen Betrieb eines polarisierten Aluminiumelektrolytkondensators sowie den Schaltungsbetrieb im Überspannungs- und Sperrvorspannungsmodus. Das Modell besteht aus einem Reiheninduktor 101, einem Reihenwiderstand 102, einem parallelen Widerstand 103, einer Zenerdiode 104 und einem polarisierten Kondensator 105. Die Zenerdiode 104 modelliert die Durchlaß- und Sperrkurzschlußbedingung, die vorliegt, wenn die angelegte Spannung eine Sperrvorspannung von 1,5 Volt oder eine Durchlaßvorspannungsbedingung von ungefähr 50 Volt über der Nennarbeitsgleichspannung (WVDC) des Kondensators überschreitet. Der Induktor 101 ist zum Modellieren der Eigenresonanzfrequenz des Kondensators geeignet. Der Reihenwiderstand 102 modelliert den (kleinen, mΩ) Ersatzreihenwiderstand (ESR), der im Kondensatorbetrieb gemessen wird. Der parallele Widerstand 103 modelliert den (großen, MΩ) parallelen Ersatzwiderstand, der beim Kondensator-Gleichspannungs-Kriechstromphänomen gemessen wird. Im Betrieb mit niedriger Frequenz ermöglicht eine Durchlaßvorspannung innerhalb der Vorrichtungsarbeitsspannungsbedingungen einen Signalstromfluß durch den Richtkondensator 105. Sperrvorspannungsbedingungen verursachen einen Kurzschluß durch die Diode 104.
Der Kondensator arbeitet geeigneterweise kontinuierlich zwischen Null Volt und der Nennarbeitsgleichspannung. Eine Sperrvorspannung von bis zu etwa 1,5 Volt Gleichspannung bis zu einer Nenn-Durchlaßvorspannungsstoßspannung definiert die äußeren Grenzen der geeigneten vorübergehenden Verwendung des Kondensators. Der Kondensatorbetrieb außerhalb dieser breiteren Spannungshüllkurve verursacht Kurzschlußbedingungen. Es ist typischerweise ein dritter Spannungsparameter mit höherem Impuls vorhanden. Eine übermäßige Durchlaßspannung am Kondensator verursacht einen Sperrstromfluß durch die Zenerdiode 104. Dieses elektrische Verhalten wird schematisch modelliert, indem eine Zenerdiode 104 parallel, jedoch mit entgegengesetzter Polaritätsausrichtung zum polaren Kondensator dargestellt wird. Das Kurzschließen durch die Diode 104 in beiden Richtungen ermöglicht einen übermäßigen Strom, einen Wärmestau, was einen Kondensatorausfall ermöglicht. Deshalb versagt ein einzelner polarisierter Kondensator im normalen Wechselspannungsbetrieb.
2 stellt eine einfache Schaltungsausführung 250 dar, die eine typische Verwendung des Standes der Technik von einem mit Gleichspannung vorgespannten polarisierten Kondensator in einer Wechselspannungskleinsignal-Kopplungsanwendung darstellt. Diese Schaltung wird üblicherweise als Laborübung für Studenten der analogen Elektronik verwendet und wird in mehrstufigen Verstärkern verwendet. Die Schaltung 250 umfaßt eine Wechselspannungssignalquelle 255, die auf eine Gleichvorspannungsquelle 260 überlagert wird, eine Fähigkeit von Laborleistungsversorgungen. Das Wechselspannungssignal wird mit der Last 266 gekoppelt, während die Gleichvorspannung durch einen polarisierten Kondensator 262 gesperrt wird und diesen positiv vorspannt. Der Kondensator und die Gleichvorspannung werden so ausgewählt, daß die überlagerten Wechsel- und Gleichspannungen jederzeit innerhalb des zweckmäßigen Spannungsfensters liegen. Der Wechselspannungsquellen-Ausgangsabschnitt leitet den gesamten Gleichspannungsquellenausgang und umgekehrt. Wenn das Wechselspannungssignal im Betrag relativ zur Kondensator-Nennarbeitsgleichspannung zunimmt, tritt eine Wellenformverzerrung in Form von Begrenzung auf. Somit tritt die niedrigste Wellenformverzerrung für kleine Wechselspannungssignale auf. Der Betrag der Vorspannung liegt typischerweise in der Größenordnung der Hälfte der Kondensator-Nennarbeitsgleichspannung. Die Genauigkeit der Wechselspannungswellenformübertragung verbessert sich, wenn die Beträge des Wechselspannungssignals und des Wechselstroms verringert werden.
Ein nicht-polarisierter Kondensator 264 ist parallel zum polarisierten Kondensator 262 zum "Polieren" gezeigt. Nicht-polarisierte Polierkondensatoren können zur Feinabstimmung der Resonanz, zum Einstellen des Kapazitäts-Strom-Verhältnisses, zum Verringern der ESR, zum Einstellen der Bandbreite, zum Verbessern der Wellenformübertragung, zum Abflachen des Frequenzgangs und zum Verbessern von anderen derartigen anwendungsspezifischen Aspekten verwendet werden. Die Kapazität des polarisierten Kondensators 262 kann typischerweise jene des Polierkondensators 264 um ungefähr zwei Größenordnungen übersteigen. Der nicht-polarisierte Polierkondensator wirkt zum Verringern der Verzerrung des Signals.
3 zeigt eine Schaltung 300, die eine Wechselspannungsquelle 305, polarisierte Antireihenkondensatoren 312, 314, die gemeinsam als 310 bezeichnet sind, und eine Wechselspannungslast 320 umfaßt. Die Polaritätsmarkierungen über den Kondensatoren zeigen eine momentane Durchlaßvorspannungsbedingung des Kondensators 312 und eine gleichzeitige Sperrvorspannungsbedingung des Kondensators 314, die während einer positiven Phase der Wechselspannungsquelle 305 auftritt. (Die Polaritäten wären natürlich während der negativen Phase umgekehrt.)
Antireihenkonfigurationen von polarisierten Kondensatoren arbeiten vorübergehend oder in strombegrenzten Anwendungen. Eine solche herkömmlich implementierte Antireihenkonfiguration nutzt das vorher beschriebene interne zenerdiodenartige Verhalten. Sie wird typischerweise in Einphasen-Motorstartanwendungen verwendet und wird durch Überhitzung und kurze Lebensdauer aufgrund eines Sperrvorspannungskurzschlusses schwer gemacht. Wenn der Kondensator 312 durch die Wechselspannungsquelle in Durchlaßrichtung vorgespannt wird, wird der Kondensator 314 in Sperrichtung vorgespannt und schließt den Halbwellenstrom mit der Last 320 kurz. Bei der nächsten halben Welle wird der Kondensator 314 in Durchlaßrichtung vorgespannt, während der Kondensator 312 kurzgeschlossen wird. Diese herkömmliche Antireihenkonfiguration ist für eine Gleichvorspannungsbedingung beachtlich, die auf einer Teilzyklus- (Halbzyklus) Basis schwingt.
Mit Bezug auf 4 lehren das US-Pat. NR: 4,672,289 und 4,672,290, Ghosh, ein verbessertes Schema zum Implementieren von polarisierten Antireihenkondensatoren in Wechselspannungsumgebungen. Die Schaltung 460 ist in 4 gezeigt. Die Schaltung 460 umfaßt polarisierte Kondensatoren 462, 464 und Dioden 466, 468 in Reihe mit der Wechselspannungsquelle 461 zum Ansteuern der Wechselspannungslast 470. Symmetrische polarisierte Antireihenkondensatoren 462, 464 liegen parallel zu entgegengesetzt ausgerichteten Antireihendioden 466, 468. Im Betrieb begrenzt eine parallele "Überbrückungs"-Diode (466, 468) die maximale momentane negative Spannung über jedem Kondensator, was jeden polarisierten Kondensator davor schützt, daß er übermäßig in Sperrichtung vorgespannt wird. Die Ghosh-Schaltung sieht externe diskrete Dioden vor, um die Sperrströme von jedem Kondensator weg zu überbrücken. Das interne zenerdiodenartige Verhalten wird verringert. Dies verringert den Wärmestau in den Kondensatoren und verlängert ihre erwartete Lebensdauer.
Leider hat jedoch diese Überbrückungsdiodenlösung bestimmte wesentliche Nachteile. Jede Kondensatorpolarität ist der vollen Wechselspannung über die Anordnung für eine Hälfte der Wechselspannungswellenform ausgesetzt. Für einen Kurzschluß, einen Motorstart, ein Transformatoreinschalten oder eine ähnliche Bedingung wird folglich die gesamte Spannung der Wechselspannungsquelle über die Anschlüsse von jedem Antireihenkondensator und der Diodenanordnung mit einem Tastverhältnis von 50% angelegt. Kein Spannungsteiler ist vorhanden. Folglich wird die realisierbare Wechselwelligkeitsspannung für ein gegebenes Niveau an Wechselspannungssignalverzerrung auf verfügbare Diodenspannungsnennwerte begrenzt. Außerdem wird jeder polarisierte Kondensator einer Sperrvorspannungsbedingung mit niedriger Spannung für ungefähr 50% der Zeit ausgesetzt. Die Dioden verzerren die Netzwerk-Wechselspannungswellenform. Überdies ist die Selbstvorspannungsschaltung nicht für die Diodenstrombegrenzung zugänglich. Diese sind Probleme im stationären Betrieb aufgrund von Wärmeverlust, Stromwellenformverzerrung und Diodengrößenanforderungen. Diese sind noch signifikantere Probleme für Halbleiter in vorübergehenden Fehler-, Magnetisierungseinschalt-, Resonanz- und/oder Startanwendungen. Der gesamte Schaltungsstrom läuft mit einem Tastverhältnis von 50% sowohl im stationären als auch im vorübergehenden Fall durch jede Diode. Dies führt zu einem signifikanten Wärmeverlust durch die Dioden. Die Selbstvorspannungs-Gleichspannungsschwingung stört auch die Systemerdungsreferenz und trägt weiter zur Wärmeableitung bei. Die Wechselspannungssignalverzerrung liegt aufgrund einer Begrenzung infolge einer unangemessenen Gleichvorspannung relativ zur Wechselspannungssignalgröße vor. Die Energie, die für die Kondensatoraufladungsreformation pro halbem Zyklus erforderlich ist, ist ein weiterer Energieverlust. Außerdem ist diese Lösung des Standes der Technik nicht zur Verwendung mit anderen polarisierten Ladungsspeichervorrichtungen wie z.B. vielen elektrochemischen Batterien geeignet.
Ferner weist die Schaltung eine fehlende Maßstabswirtschaftlichkeit für erhöhte Stromanforderungen auf. Wenn der Kondensatorbank-Stromstärkenennwert verdoppelt wird, so müssen dies die Dioden, Wärmeableiter und dergleichen auch. Dies bildet wesentliche Hauptausgaben in Wechselspannungsanwendungen mit hohem Strom. Wenn zusätzliche Reihendioden erforderlich sind, um den realisierbaren Spannungspegel zu erhöhen, müssen die zusätzlichen Dioden dieselbe Strombelastbarkeit aufweisen wie die existierenden Dioden. Der Durchlaßspannungsabfall von jeder existierenden Diode wird durch den Durchlaßspannungsabfall von jeder zusätzlichen Einheit abgeglichen. Folglich nehmen der Leistungsverlust und die Wärmeerzeugung proportional zu. Die Totzone um Null von jeder Diode wird auch mit der Anzahl von Dioden in Reihe multipliziert.
Diese Wellenformverzerrung aufgrund der Antireihendiodenanordnung z.B. in der Ghosh-Schaltung und des internen Zenerdiodenverhaltens in der herkömmlichen Antireihenanordnung ist folglich hartnäckig. Außerdem weisen die Ghosh- und die herkömmliche Schaltung einen andauernden Schwingungseffekt auf die System-Gleichspannungserdungsreferenz auf. Diese Probleme machen die herkömmliche und die Ghosh-Vorrichtung für allgemeine Wechselspannungsanwendungen ungeeignet. Diese zwei Technologien arbeiten außerhalb des kleinen Signalbereichs, in dem die Wechselspannungsverzerrung minimiert werden kann.
Mit Bezug auf 5 offenbart das deutsche Patent Nr. DE 4401955 , Norbert, eine Schaltung 500 zur Verwendung von polarisierten Kondensatoren in vorübergehenden Wechselspannungsanwendungen. Wie von Norbert gelehrt, ist die Schaltung 500 so ausgelegt, daß sie hauptsächlich ein Phasenschieber für das Starten von Einphasen-Asynchronmotoren ist. Die Schaltung 500 besteht aus einer Wechselspannungsquelle 501, einem Antireihenpaar 502, einem Widerstand 503, einer Diode 504, einer induktiven Last 505 und einem Schalter 506. Die Diode 504 und der Widerstand 503 sind dauerhaft mit der Wechselspannungsquelle 501 oder alternativ mit einer anderen negativen Spannungsquelle verbunden. Nach einem Wartezeitraum, in dem der Schalter 506 offen ist, spannt die Dioden/Widerstand-Kombination allmählich das Kondensatorpaar in Durchlaßrichtung vor. Die Norbert-Schaltung bearbeitet den Kondensator für einen zweckmäßigen Start der Wechselspannungslast im voraus und erhöht die erwartete Lebensdauer gegenüber jener der Ghosh-Schaltung, wenn ein angemessener Wartezeitraum vor dem Motorstart zur Verfügung steht. Norbert ermöglicht die Verwendung von kleinen Diodenstrombelastbarkeiten relativ zu Ghosh. Norbert schlägt auch eine Verbindung mit hoher Impedanz mit dem Antireihenkondensator-Mittelknoten in einer wirtschaftlichen Einzelgehäusekonfiguration vor. Nur externe Dioden-, Widerstands- und Wechselspannungsquellenverbindungen sind erforderlich, um die Schaltung zur Verwendung bereit zu machen.
Leider erfordert die Norbert-Schaltung beträchtliche Zeit für die Kondensatorvorspannung. Die Kondensatoren werden auf gerade unter den Betrag der Wechselspannung (Spitze zu Null) aufgeladen. Aus diesem Grund ist die Norbert-Schaltung mit der Verwendung von polarisierten Kondensatoren mit niedriger Arbeitsspannung in Anwendungen mit hoher Systemwechselspannung inkompatibel. Außerdem ist die Schaltung zur Verwendung mit anderen polarisierten Ladungsträgervorrichtungen wie z.B. elektrochemischen Batterien ungeeignet. Überdies ist die Norbert-Schaltung für eine kontinuierliche Verwendung insofern ungeeignet, als die Reformierungsladung sich gewöhnlich über die Zeit verschlechtert, wenn ein Einphasen-Motor oder eine andere Last nach dem Start verbunden bleibt. Die Schaltung verhält sich dann identisch zur herkömmlichen, ungeladenen Antireihenkonfiguration. Die Norbert-Schaltung weist folglich den Nachteil der Begrenzung des Wechselspannungswellenformsignals aufgrund des Überschreitens der Wechselspannungs-Kleinsignalanforderung im stationären Fall auf.
Das US-Patent 4,456,880 offenbart eine polarisierte Ladungsspeichervorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Mit anderen Worten, das US-Patent 4,456,880 offenbart eine polarisierte Ladungsspeichervorrichtung zum Betrieb in einem Wechselspannungsnetzwerk mit einer Wechselspannungsquelle und mindestens einer Last, die mit der Wechselspannungsquelle gekoppelt ist, um das Wechselspannungssignal zu empfangen, wobei die Vorrichtung mindestens eine erste und eine zweite polarisierte Ladungsspeichervorrichtung in einer Antireihenkonfiguration miteinander umfaßt, wobei die polarisierten Antireihen-Ladungsspeichervorrichtungen dazu ausgelegt sind, wirksam mit dem Wechselspannungsnetzwerk verbunden zu werden und dem Wechselspannungssignal ausgesetzt zu werden, und mit mindestens einer Gleichspannungsquelle, die mit der ersten und der zweiten polarisierten Ladungsspeichervorrichtung gekoppelt ist. Die Vorrichtung umfaßt Schalter, die wirksam sind, um entweder die erste oder die zweite polarisierte Ladungsspeichervorrichtung vorzuladen.
Folglich bleibt ein Bedarf für ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Schaltung zur Verwendung von polarisierten Ladungsspeichervorrichtungen wie z.B. polarisierten Kondensatoren in Wechselspannungsanwendungen, einschließlich stationären Wechselspannungsanwendungen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung ist durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche definiert. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung und von deren Vorteilen wird nun auf die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen Bezug genommen, in denen gilt:
1 ist ein Schaltungsmodell des Standes der Technik für Elektrolytkondensatoren.
2 stellt eine Schaltung des Standes der Technik dar, die polarisierte und unpolarisierte Kondensatoren in einer Wechselspannungs-Kleinsignal-Kopplungsanwendung verwendet, die typischerweise in analogen Audioverstärkern vorliegt.
3 zeigt ein kommerziell erhältliches herkömmliches polarisiertes Antireihen-Kondensatorpaar, das ein Wechselspannungssignal mit einer Wechselspannungslast koppelt, die typischerweise in Motorstartanwendungen verwendet wird.
4 zeigt eine Verbesserung des Standes der Technik für die Schaltung von 3.
5 stellt auch eine Verbesserung des Standes der Technik für die Schaltung von 3 dar.
6A zeigt eine Wechselspannungsschaltung, die aus in Durchlaßrichtung vorgespannten polarisierten Antireihen-Kondensatoren der vorliegenden Erfindung besteht, wobei die Gleichvorspannungsschaltungs-Details vernachlässigt sind.
6B stellt eine in Durchlaßrichtung vorgespannte polarisierte Antireihen-Kondensatorkonfiguration der vorliegenden Erfindung dar, wobei eine Wechselspannungsvorrichtung den positiven Gleichspannungs-Übergangsknoten trennt, wobei die Vorspannungsdetails ausgelassen sind.
7 stellt eine symmetrische Antireihenimplementierung von mit Gleichspannung vorgespannten polarisierten Kondensatoren in einer begrenzten Wechselspannungsanwendung der vorliegenden Erfindung dar.
8 stellt eine Schaltung der vorliegenden Erfindung dar.
9 stellt ein weiteres Schaltungsausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar.
10 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung zum Implementieren der vorliegenden Erfindung.
11 stellt eine kapazitive Leistungskopplungsanordnung dar, die ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet.
12 zeigt eine Dreiphasen-Dreidraht-Wechselspannungssystem-Reihendarstellung, die in Durchlaßrichtung vorgespannte polarisierte Antireihen-Kondensatoren der vorliegenden Erfindung beinhaltet, wobei die Gleichvorspannungsschaltungs-Details vernachlässigt sind.
13 zeigt ein Dreiphasen-Vierdraht-Wechselspannungssystem, das ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beinhaltet.
14 zeigt ein alternatives Dreiphasen-Vierdraht-Wechselspannungssystem, das ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beinhaltet.
15 stellt ein zusätzliches Dreiphasen-Vierdraht-Wechselspannungssystem dar, das ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beinhaltet.
16 stellt eine Schaltung mit hohem Strom mit einer 4n+-Implementierung der vorliegenden Erfindung dar, wobei die Details der Gleichspannungsquelle weggelassen sind.
17 zeigt eine einfache Darstellung einer Hochspannungsausführung eines polarisierten 4n+-Kondensators und eines Vorspannungssystems der vorliegenden Erfindung.
18 stellt eine alternative Ausführung der vorliegenden Erfindung dar.
19 stellt die zwei Wicklungen eines Spaltphasen-Wechselspannungs-Induktionsmotors dar, der für einen kontinuierlichen Betrieb von einer einphasigen Wechselspannungsquelle geeignet ist, wobei ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
20 zeigt ein Bandpaß-LC-Filter mit einer Verstimmungsvorrichtung zum Begrenzen von Strömen, die durch stromabwärts liegende Fehler verursacht werden, in einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
21 stellt eine elektrisch berührungssichere, wärmeleitende Struktur zum Einstellen von Kondensatortemperaturen und elektrischen Parametern in einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar.
22 stellt ein Verfahren zum Herstellen einer in Durchlaßrichtung vorgespannten Kleinsignal-Übertragungsbedingung, die für vorübergehende Anwendungen geeignet ist und an einen kontinuierlichen Betrieb anpaßbar ist, in einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar.
23 stellt eine einfache gesteuerte Vorspannungsschaltung in einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar, die für einen kontinuierlichen Betrieb geeignet ist.
23A ist ein vereinfachtes Diagramm des Lademechanismus von 23.
24 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einer passiven Vorspannungsschaltung ähnlich zu 23 dar.
25 stellt eine Antireihenkonfiguration der vorliegenden Erfindung dar, wobei die Wechselspannungsquelle die negativen Kondensatoranschlüsse trennt und die Wechselspannungslast die positiven Kondensatoranschlüsse trennt.
26 stellt die Verwendung einer einzelnen Gleichspannungsquelle mit niedriger Spannung zum Vorspannen eines Paars von zwei polarisierten Antireihenkondensatoren, die miteinander in Reihe liegen, in einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar.
27 stellt eine Gleichspannungsversorgung in einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar, wobei eine Gleichrichterbrücke mit der Wechselspannungsversorgung über Antireihenkondensatoren gekoppelt ist, die wiederum durch einen Teil des Gleichspannungsausgangs vorgespannt sind.
28 zeigt eine dreiphasige Antireihen-PECS-Vorrichtungskonfiguration in einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei ein einzelner polarisierter Kondensator in jedem eine Wechselspannung führenden Zweig vorhanden ist.
29 zeigt ein einphasiges System für 120:240 Volt der vorliegenden Erfindung, wobei eine einzelne PECS-Vorrichtung in jedem Zweig als Teil einer Antireihen-Kondensatorkonfiguration dient.
30 zeigt eine Gleichvorspannungsquelle unter Verwendung eines einzelnen Gleichrichters in einer Antireihen-PECS-Vorrichtungskonfiguration der vorliegenden Erfindung, die für einen kontinuierlichen Betrieb geeignet ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Überblick
6A zeigt eine ideale Schaltung 600, die konzeptionell ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Schaltung 600 umfaßt eine Wechselspannungsquelle 605, die mit einem polarisierten Antireihen-Kondensatorpaar 610 und einer Last 620 in Reihe geschaltet ist, welche durch die Wechselspannungsquelle 605 angetrieben wird. Das polarisierte Antireihen-Kondensatorpaar 610 umfaßt polarisierte Kondensatoren 612 und 614, die in einer Antireihenbeziehung miteinander verbunden sind. Wie in 6A gezeigt, sind die Kondensatoren 612 und 614 jeweils geeignet und in Durchlaßrichtung mit Gleichspannungen 616, 618 vorgespannt, so daß über jeden Kondensator kontinuierlich ein positives Nettopotential angelegt wird, wodurch ermöglicht wird, daß sie in allgemeinen Wechselspannungsanwendungen verwendet werden.
Jede Gleichvorspannung ist groß genug in Verbindung mit der Teilung der Betriebswechselspannung jedes Kondensators, um den negativen Wechselspannungshub des schlimmsten Falls zu kompensieren. Der positive Hub der Wechselspannung, die auf die Gleichvorspannung überlagert wird, ist ebenso geringer als die Nennarbeitsspannung des Kondensators. Die erzwungene kontinuierliche Gleichvorspannungsbedingung beseitigt die Nachteile des Standes der Technik eines hartnäckigen Wärmeverlusts, einer kurzen Lebensdauer, einer Signalverzerrung und/oder einer schwingenden Gleichvorspannungsbedingung. Wenn die zweckmäßige Gleichvorspannungsbedingung aufrechterhalten wird und die Wechselspannung und der Strom relativ zu den Vorrichtungstoleranzen klein sind, ist diese Schaltung folglich für einen stetigen und/oder vorübergehenden Wechselspannungsbetrieb geeignet. Die Details der Gleichvorspannungs-Überlagerungsschaltung sind der Einfachheit halber in dieser Zeichnung weggelassen, werden jedoch nachstehend genauer angegangen. Es gibt viele Schaltungsausführungen, die zum Herstellen und Aufrechterhalten der zweckmäßigen Gleichspannungs-Kondensatorsvorspannungsbedingung geeignet sind. Die Gleichspannungsquellen zum Vorspannen von polarisierten Antireihenkondensatoren können von irgendeinem geeigneten Schema abgeleitet werden, einschließlich sowohl geregelter als auch ungeregelter Quellen. Alternativ beachte man, daß eine momentane aktive Vorspannung praktisch ist und die Lebensdauer von polarisierten Kondensatoren verlängern kann.
Die Schaltung 600 nutzt die Gleichspannungssperreigenschaften der Kondensatoren 612, 614. Gleichspannungen 616, 618 werden an die Anschlüsse der zwei polarisierten Kondensatoren angelegt. Für die Zwecke dieser Erörterung wird angenommen, daß eine symmetrische Gleichvorspannung angelegt wird. Der Einfachheit halber wird auch angenommen, daß die Kondensatoren 612 und 614 in der Kapazität einander gleich sind. Diese Bedingungen sind jedoch für die vorliegende Erfindung nicht erforderlich. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Wert von jeder Gleichvorspannung mindestens eine Hälfte der absoluten maximalen (nicht RMS) Spitzen-Null-Wechselspannung über dem Antireihenpaar von Kondensatoren. Dies ist ein Viertel der angelegten Spitzen-Spitzen-Spannungsamplitude. Um die Komponentenveränderung zu berücksichtigen und den Kleinsignalbereich aufrechtzuerhalten, würde die angelegte Gleichvorspannung etwas erhöht werden. Die Gleichvorspannungen wirken sich nicht nachteilig auf den Wechselspannungsbetrieb der Schaltung aus. Dies sorgt für eine zweckmäßige Vorspannung in Durchlaßrichtung und ermöglicht einen kontinuierlichen Betrieb ohne die Wechselspannungsverzerrung, die Kondensatorsperrvorspannung, die Diodendurchlaßleitung, den Komponentenwärmestau, die Bezugsgleichspannungsschwingung und die vorzeitige Ausfalleigenschaft von Anwendungen des Standes der Technik.
In einer idealen Konfiguration sind die Gleichvorspannungsquellen von (unabhängig von) der Wechselspannungsquelle elektrisch isoliert. Folglich stört keine momentane Gleichvorspannung oder kein Strom das verbundene Wechselspannungsnetzwerk in diesem Idealfall. Außerdem würde dem Wechselspannungsnetzwerk durch entweder den kapazitiven Wechselstromweg oder die Vorspannungsquelle keine harmonische oder subharmonische Verzerrung erteilt werden. Überdies weist diese Gleichvorspannungsquelle eine unendliche bidirektionale Wechselspannungsimpedanz und einen Gleichspannungswiderstand von Null auf. Ebenso weist der Wechselstromweg durch die polarisierten Kondensatoren einen bidirektionalen Wechselspannungswiderstand von Null und einen unendlichen Gleichspannungswiderstand auf. Die Wechsel- und Gleichspannungen liegen gemäß den Prinzipien der Überlagerung vor. Folglich verursacht die Wechselspannungs/Gleichspannungs-Schnittstelle keine gegenseitige elektromagnetische Störung oder eine an einer benachbarten elektrischen Anlage. Die polarisierten Kondensatoren können als Gleichspannungslast für die Gleichspannungsversorgung sowohl im vorübergehenden Wechselspannungs- als auch im stationären Wechselspannungsfall betrachtet werden.
Die Einfachheit der Schaltung 600 ist informativ. Sie dient hauptsächlich zum Erläutern, daß polarisierte Kondensatoren in Wechselspannungsnetzwerken direkt verwendet werden können und als Wechselspannungsteiler dienen. Dies bildet eine elegant einfache Ausführung der Verwendung eines polaren Kondensators in Wechselspannungsnetzwerken und liefert bisher unbekannte Ergebnisse. Es besteht kein möglicher elektrischer Wechselspannungsweg, sondern durch die Kondensatoren. Da der zentrale Knoten relativ zu einer festen Erdungsreferenz vorgespannt ist, können zwei alternative Antireihenausführungen parallel miteinander mit einer geeigneten Vorspannung betrieben werden.
6B stellt eine Schaltung 650 dar. Die Schaltung 650 besteht aus einer Wechselspannungsquelle 652, polarisierten Kondensatoren 662, 664, einem Induktor 668 und einer Wechselspannungslast 670. Der Induktor 668 trennt das polarisierte Antireihen-Kondensatorpaar 662, 664 physikalisch. Man beachte, daß die Polaritätsorientierung und die Gleichvorspannung der Kondensatoren 662, 664 gegenüber der in 6A gezeigten umgekehrt ist. Die Polaritätsmarkierungen über den Kondensatoren geben die kontinuierliche Vorspannung in Durchlaßrichtung der Kondensatoren an. Man kann überprüfen, daß im stationären Zustand die Gleich- und Wechselspannungen sich um die Schaltung zu Null addieren. Die stationäre Gleichspannung über dem Induktor ist vernachlässigbar, folglich weisen die positiven Knoten der Kondensatoren ein virtuell identisches Gleichspannungspotential auf. Folglich hält der Gleichspannungsübergangsknoten die Kontinuität durch den Induktor aufrecht. Es wird angemerkt, daß die Wechselspannungsquelle 652 und die Wechselspannungslast 670 ebenso die negativen Pole der Kondensatoren physikalisch trennen, während sie auf dem gleichen Gleichspannungspotential bleiben. Die Wechselspannungsquelle 652 ist mit der Wechselspannungslast 670 durch den LC-Kreis gekoppelt, der aus den Kondensatoren 662, 664 und dem Induktor 668 besteht. LC-Kreise werden typischerweise als Filter verwendet. Die Wechselspannungsparameter des Kreises wie z.B. Leistungsfaktor, Impedanz und dergleichen könnten durch einstellbares Steuern der Induktivität des Induktors geändert werden. Dies könnte durch Abgriffsänderung oder Kurzschließen des Induktors über einen parallel geschalteten niedrigen Widerstand bewerkstelligt werden. Die Gleichvorspannungsquellendetails sind aus der Zeichnung der Einfachheit halber weggelassen. Diese Zeichnung dient zum Erläutern, daß Wechselspannungsschaltungselemente in Durchlaßrichtung vorgespannte Antireihen-PECS-Vorrichtungen in einer Wechselspannungsanwendung trennen können.
Schaltungsimplementierungen
7 zeigt eine Schaltung 750, die zwei explizite identische Gleichspannungsquellen 774 und 786 verwendet. Jede ungeerdete Gleichspannungsquelle spannt einen polarisierten Kondensator 778 bzw. 782 durch einen Gleichspannungserdungsreferenz- (Wechsefspannungssperr-) Widerstand 788 positiv vor. Nicht-polare Polierkondensatoren 776, 784 sind über den polarisierten Kondensatoren 778 bzw. 782 parallel geschaltet, um entsprechende Kondensatorsätze 776/778 und 782/784 zu bilden. Ein Wechselspannungssignal wird von einer Wechselspannungsquelle 772 über die Kondensatorsätze zu einer induktiven/ohmschen Last 790 übertragen und wird durch die Gleichspannungsquellen-Ausgangsabschnitte geleitet. Die Antireihenanordnung der polaren Kondensatoren zusammen mit der Vorspannung ermöglicht ihre Verwendung in dieser Wechselspannungssignalanwendung. Sowohl der Ausgangsabschnitt der Wechselspannungsquelle 772 als auch die Last 790 fungieren als stationäre Gleichspannungskurzschlüsse, was ermöglicht, daß die Gleichspannungsquellen 774, 786 die Kondensatorsätze vorspannen. Der Sperrwiderstand 788 sieht einen Gleichstromweg zum Bezugsspannungspegel des negativen Pols in diesem symmetrischen, ungeerdeten Gleichvorspannungsschema vor. Der Widerstand weist eine ausreichend hohe Wechselspannungsimpedanz relativ zu den Kondensatoren auf, so daß er im Wesentlichen als offener Stromkreis für das Wechselspannungssignal erscheint. Dieses Schaltungsausführungsbeispiel dient hauptsächlich zum Erläutern der Verwendung von symmetrisch vorgespannten polarisierten Antireihenkondensatoren, um ein Wechselspannungssignal zu übertragen. Das Prinzip der Überlagerung ist explizit dargestellt. Es wird angemerkt, daß ein einzelner, nicht-vorgespannter, nicht-polarisierter Kondensator von der Wechselspannungsquelle 772 zur Last 790 für die Kondensatoren 776 und 784 für eine wirksamere Wechselspannungssignal-Übertragungspolierung eingesetzt werden kann. Es sollte beachtet werden, daß das gesamte Wechselspannungssignal durch die Ausgangsabschnitte der zwei Gleichspannungsquellen läuft. Die Gleichspannung wird zwischen den Kondensatoren und dem Widerstand 788 aufgeteilt. Man beachte, daß das System willkürlich an irgendeinem einzelnen Knoten geerdet werden kann. Der Gleichvorspannungspegel kann für eine gute Signalübertragungsgenauigkeit (geringe harmonische Verzerrung) viel höher gesetzt werden als die Wechselspannungssignalgröße.
8 stellt eine Schaltung 800 dar, die ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung zum Implementieren der vorliegenden Erfindung ist. Die Schaltung 800 umfaßt eine Wechselspannungsquelle 805, polarisierte Antireihenkondensatoren 812, 814, eine Diode 816, einen Widerstand 817, eine Gleichspannungsquelle 818 und einen Schaltung 819 mit drei Positionen. Die zwei Flügel der Antireihenkondensatoren 812, 814 können anfänglich nacheinander zweckmäßig vorgespannt werden. Mit der dargestellten Schaltungskonfiguration und, wenn sich der Schalter in der mittleren Position (offen) befindet, wird eine haltbare Gleichvorspannung und eine enge Näherung an eine unendliche Wechselspannungsimpedanz (einen offenen Stromkreis) erreicht. Die anfängliche geladene Gleichvorspannung verschlechtert sich jedoch aufgrund des Koronaeffekts und von Kriechströmen durch die Kondensatoren. Es wird angemerkt, daß die zwei Flügel identische Vorspannungen und Raten eines Ladungszerfalls aufrechterhalten. Durch Hin- und Herschalten des Schalters 819 können die Kondensatoren 812, 814 folglich ihre Ladung aufrechterhalten. Man beachte, daß die typische Wechselspannungsquelle durch eine Transformatorwicklung zur Last zugeführt wird. Wenn die Schaltung eingekoppelt ist und der Batterieschalter zu einem Flügel geschaltet ist, steigt die Vorspannung beider Flügel mit Bezug auf den mittleren Knoten an. Die Rate der Änderung der zwei Spannungen ist unterschiedlich, aber beide nehmen zu. Kurz gesagt, die zwei Flügel weisen gleiche Gleichvorspannungen auf. Ein Fachmann kann leicht überprüfen, daß die Transformatorwicklung (Wechselspannungsquelle 805) und die Last als stationärer Kurzschluß mit der Gleichvorspannungsdifferenz gewirkt haben. Wenn sich der Schalter in einer seitlichen Position befindet, fließt ein gewisser Wechselstrom durch die Gleichspannungsquelle 818 (z.B. Batterie). Diese Nicht-Idealität ist unidirektional, temporär und vom Betrag des Widerstandes 817, von den Kondensator-, Wechselspannungslast- und Wechselspannungsquellenparametern abhängig. In diesem Fall arbeitet eine ideale Schaltungskonfiguration in einem beliebigen willkürlichen Grad. Der Schalter ist für den Schaltungsbetrieb nicht erforderlich, sondern ist nützlich, um das Betriebsprinzip darzustellen und hat einen Nutzen für Gleichspannungsquellen-Wartungszwecke.
Dioden im Allgemeinen (und die Diode 816 insbesondere) sind eine ausgezeichnete Ausführung einer hohen Wechselspannungsimpedanz im Fall eines Rückwärtsflusses, während sie ermöglichen, daß ein Vorwärtsgleichstrom frei fließt. Die Diode 816 sperrt die Vorwärts-Gleichstromhalbwelle nicht. Der Schalter 819 kann alternativ als Halbleiterschalter oder als elektromechanische Vorrichtung ausgeführt werden. Der Schalter 819 kann die Gleichspannungsquelle 818 mit dem geeigneten Kondensator 812 oder 814 kontinuierlich für eine gegebene Halbwelle verbinden oder kann einfach unstetig mit beiden Seiten verbinden. Der relativ große Widerstand 817 (oder Induktor) verbindet effektiv die Gleichspannungsquelle 818 mit den Kondensatoren 812, 814, während er das Wechselspannungssignal sperrt. Andere Schaltungselemente mit hoher Wechselspannungsimpedanz können jedoch verwendet werden. Folglich besteht die Gleichvorspannungsquelle aus dem elektrischen Schalter 819, der Gleichspannungsquelle 818, dem Widerstand 817 und der Diode 816. Der äußerst niedrige Wechselspannungswiderstand und die relativ niedrige Wechselspannungsimpedanz der Kondensatoren schaltet den Wechselstrom effektiv parallel. Wenn der elektrische Schalter offen ist, ist der positive Pol der Gleichvorspannungsquelle von den positiven Anschlüssen der Kondensatoren elektrisch isoliert. In einem typischen Wechselspannungsnetzwerk ist die neutrale Leitung mit der Systemerdung verbunden. Der negative Anschluß der Gleichvorspannungsquelle ist mit dem negativen Anschluß der polarisierten Kondensatoren 812, 814 verbunden. Die Gleichvorspannungsquelle und die zwei polarisierten Kondensatoren liegen miteinander in Gleichspannungsparallelschaltung und halten einen anderen Gleichspannungspegel an ihren negativen Anschlüssen aufrecht als der spannungsführende, Neutralleiter und (falls vorhanden) die Erdung der Schaltung 800. Man beachte, daß aufgrund der Anwesenheit von Transformatorwicklungen in typischen Wechselspannungsquellen die spannungsführenden, neutralen und Erdungsdrähte im Wesentlichen auf demselben Gleichspannungspotential liegen. Diese elektrische Isolation des negativen Anschlusses der Kondensatoren von der Wechselspannung ist durch die Tatsache betont, daß weder ein offner Stromkreis noch ein metallischer Kurzschluß in der Wechselspannungsquelle und/oder Wechselspannungslast irgendeinen Effekt auf die Gleichvorspannung hat, die über die Kondensatoren angelegt wird. Ebenso kann ein metallischer Kurzschluß die Gleichspannungsquelle ohne Effekt auf den Bezugsgleichspannungspegel der Wechselspannungsleitungen oder auf den Schaltungsbetrieb, bis sich die Kondensatorladung zerstreut, ersetzen.
9 zeigt ein weiters Schaltungsausführungsbeispiel 900 der vorliegenden Erfindung. Die Schaltung 900 umfaßt eine Wechselspannungsquelle 905, polarisierte Antireihen-Kondensatoren 912, 914, eine Gleichspannungsquelle 926, eine Wechselspannungs-Sperrdiode 932, Wechselspannungs-Sperrwiderstände 934, 935 und eine Wechselspannungslast 940. Der neutrale Wechselspannungs- und/oder Erdungsweg ist aus dieser Zeichnung der Einfachheit halber weggelassen. Aus einer Wechselspannungsperspektive sind die Widerstände 934, 935 über den polarisierten Kondensatoren 912 und 914 im Wesentlichen parallel geschaltet und können für kleine, gleiche Widerstandswerte eine Wechselspannungs-Voltteilung aufgrund einer Kondensatorkomponentenänderung korrigieren. Eine positive Gleichvorspannung wird über jedem polaren Kondensator mit der Gleichspannungsquelle 926 durch die Diode 932 und die Wechselspannungs-Sperrwiderstände 934 und 935 aufrechterhalten, die gemeinsam als Gleichvorspannungsquelle fungieren. Die Gleichvorspannungsquelle ist mit den Kondensatoren im Wesentlichen parallel geschaltet. Man beachte, daß die Wechselspannungs-Sperrwiderstände 934, 935 im Wesentlichen in Wechselspannungsreihe liegen und für große Widerstandswerte verhindern, daß irgendein signifikanter Wechselstrom den Weg der Antireihenkondensatoren 912, 914 umgeht. Die Sperrwiderstände 934, 935 in Reihenkombination mit der Diode 932 verhindern einen signifikanten Wechselstromfluß durch die Gleichspannungsquelle 926. Eine beliebige geeignete Widerstandsgröße, z.B. von weniger als 40 Ω bis mehr als 100 kΩ, wäre für die Widerstände 934, 935 geeignet. Folglich besteht die Gleichvorspannungsquelle für die Schaltung 900 aus der Gleichspannungsquelle 926, der Diode 932 und den Widerständen 934, 935. Ein zusätzlicher Widerstand kann mit der Gleichspannungsquelle 926 und der Diode 932 in Reihe geschaltet sein, um den Wechselstrom durch die Quelle zu senken. Im stationären Zustand ist die Gleichspannungsquelle 926 mit den Kondensatoren 912, 914 in Bezug auf die Gleichspannung für typische Komponentenwerte im Wesentlichen parallel geschaltet. Die ausgewählten Kondensatoren können einen Spannungsnennwert erfordern, der mindestens das Doppelte des Werts der Gleichspannungsquelle 926 ist, um eine Überlagerung einer Wechselspannungswelle mit gleicher Amplitude über den Kondensatoren zu ermöglichen.
Wenn zusätzliche Verstärker des Wechselstroms erwünscht sind, können zusätzliche Kondensatoren parallel über die Kondensatoren 912, 914 hinzugefügt werden. Zusätzliche vorgespannte Antireihen-Kondensatorbänke oder polarisierte Reihenkondensatoren, die in Antireihenweise zusammengefügt sind, können für eine erhöhte Wechselstrom- bzw. -spannungskapazität auch hinzugefügt werden.
Ein Faktor, der schließlich den maximalen Stromstärkenennwert dieses Schemas begrenzt, sind die Vorspannungsstromanforderungen, das heißt, die Leistungsgrenzen der Gleichspannungsversorgung. Es ist jedoch keine eigene Grenze in diesem Fall vorhanden, da Gleichspannungsversorgungen mit einer beliebigen willkürlichen Größe konstruiert werden können. Die Gleichspannungsanforderungen sind auch typischerweise ein kleiner Bruchteil des Wechselspannungsnennwerts der vorliegenden Erfindung. Wenn die Gleichspannungsquelle 926 eine spannungsgeregelte Quelle ist, können die Kondensatoren 912, 914 gegen elektrochemische Batterien in Antireihenanordnung ausgetauscht werden. Mehrere Batteriezellen in Reihe pro Flügel sind erforderlich und laden/entladen betrachtete Gleichvorspannungsfenster, aber die realisierbare Kapazitätsverstärkung ist massiv. Mit einfachen anwendungsspezifischen Konstruktionsschritten kann folglich eine beliebige PECS-Vorrichtung an die Verwendung in dieser Schaltung angepaßt werden.
Aus praktischen Gründen ist es innerhalb des Fachgebiets der elektrischen Herstellung üblich, Bänke von Kondensatoren separat zu verschmelzen. Diese Konvention wird wahrscheinlich erweitert, um die Kondensatorbänke separat vorzuspannen und zu verschmelzen.
10 zeigt eine Schaltung 1000, die eine weitere Verwendung von vorgespannten, polarisierten Kondensatoren in einem Wechselspannungsnetzwerk darstellt. Als Anpassung der Schaltung von 7 stellt die Schaltung 1000 eine praktischere Lösung für die allgemeine Wechselspannungserzeugung, -übertragung und -verteilung bereit. Die Schaltung 1000 umfaßt eine Wechselspannungsquelle 1005, polarisierte Antireihenkondensatoren 1009, 1023, einen nicht-polarisierten Polierkondensator 1011, Gleichspannungsquellen 1013, 1027, Wechselspannungs-Sperrwiderstände 1015, 1025, 1017 und eine Wechselspannungslast 1031. Eine Gleichvorspannungsquelle, die aus der Gleichspannungsquelle 1013 und dem Widerstand 1015 besteht, ist mit dem polarisierten Kondensator 1009 im Wesentlichen parallel geschaltet. Ebenso ist eine Gleichvorspannungsquelle, die aus der Gleichspannungsquelle 1027 und dem Widerstand 1025 besteht, mit dem polarisierten Kondensator 1023 im Wesentlichen parallel geschaltet. Diese Schaltung ist ähnlich zu den vorher beschriebenen Schaltungen, außer daß die redundanten Gleichvorspannungsquellen direkt über die polarisierten Kondensatoren parallel geschaltet sind. Diese Schaltung hat in allgemeinen Wechselspannungsanwendungen einen Nutzen. Vorspannungs- (Wechselspannungssperr-) Widerstände 1015, 1025 mit großer Impedanz (Ω-kΩ) ermöglichen, daß eine Gleichvorspannung stattfindet, während sie für Wechselspannungszwecke als offener Stromkreis erscheint. Ein Induktor (oder eine andere Wechselspannungsvorrichtung mit offenem Stromkreis) kann die Vorspannungswiderstände 1015, 1025 ersetzen. Der große (kΩ-MΩ) Sperrwiderstand 1017 kann durch einen offenen Stromkreis ersetzt werden. Ebenso kann der Sperrwiderstand 1017 zwischen den mittleren Knoten der Gleichspannungsquellen und dem mittleren Knoten der PECS-Vorrichtung umpositioniert werden.
11 stellt eine kapazitive Leistungskopplungsanordnung 1100 dar, die eine einzelne elektrisch isolierte Gleichspannungsversorgung 1115 verwendet, um die erforderliche symmetrische, aktive Gleichvorspannung für einen kontinuierlichen Betrieb von polarisierten Kondensatoren in einer allgemeinen Wechselspannungsnetzwerkanwendung zu liefern. Die Schaltung 1100 umfaßt im Allgemeinen eine Wechselspannungsquelle 1105, polarisierte Antireihenkondensatoren 1112, 1114, eine Gleichspannungsquelle 1115, eine Sperrdiode 1117, Vorspannungswiderstände 1119, 1121 und eine Wechselspannungslast 1130. Die elektrisch isolierte, nicht-geregelte Gleichspannungsquelle 1115 besteht aus einem Isolationstransformator, einer Vollwellen-Diodenbrücke und einem Ausgangsabschnitt von zwei Induktoren und einem polarisierten Kondensator 1124. Die Gleichvorspannungsquelle besteht aus einer Gleichspannungsquelle 1115, einer Diode 1117 und Widerständen 1119, 1121. Ein wahlweiser und unnumerierter Widerstand ist im negativen Zweig der Gleichvorspannungsquelle gezeigt. Die Vorspannungswiderstände 1119, 1121 und die Diode 1117 sehen eine hohe Wechselspannungsimpedanz vor, während sie einen zufriedenstellenden Gleichspannungs-Ladestrom zu den polarisierten Kondensatoren 1112, 1114 ermöglichen. Die Diode 1117 verhindert ferner einen Rückfluß des Gleichstroms im Fall eines Diodenbrückenausfalls in der Gleichspannungsversorgung. Der Gleichspannungsversorgungs-Ausgangsabschnitt, der aus den Induktoren 1122, 1123, dem Kondensator 1124 sowie der Diode 1117 besteht, kann ohne Gefährdung der Funktion weggelassen werden. Die Kondensatoren 1112 und 1114 bilden die stationäre System-Gleichspannungslast und sind bezüglich der Gleichspannung parallel geschaltet, aber liegen bezüglich der Wechselspannung in Antireihe. Das Isolationstransformator-Windungsverhältnis innerhalb der Gleichspannungsversorgung legt den Gleichvorspannungspegel fest und ist wirksam mit der Wechselspannungsquelle 1105 verbunden. Es wird angemerkt, daß der Bezugsgleichspannungspegel der Knoten A und B im Wesentlichen auf der Wechselspannungssystemerdung liegt, während der Knoten D durch die Gleichvorspannungsquelle unterhalb der Erdung gehalten wird. Die elektrische Isolation der Gleichspannungsquelle von der Wechselspannungsquelle würde ermöglichen, daß beide Orientierungen der Kondensatoren 1112, 1114 verwendet werden. Das heißt, die positiven Pole der Kondensatoren könnten am Knoten D verbunden sein, vorausgesetzt, daß die Vorspannungsversorgungspolarität umgekehrt ist. In diesem Fall wäre die Bezugsgleichspannung des Knotens D über dem Wechselspannungs-Systemerdungspegel.
Die zur Wechselspannungslast gelieferte Leistung kann viele Größenordnungen größer sein als die Leistungsanforderung der Vorspannungsleistungsquelle. Von der Wechselspannungsquelle 1105 wird angenommen, daß sie eine oder mehrere induktive Wicklungen z.B. von einem Generator oder Transformator umfaßt. Dies stellt einen stationären Gleichspannungskurzschluß bereit. Die überlagerte Wechselspannungswelle und Gleichvorspannung sollten geringer sein als die Nenngleichspannung des Kondensators, und dennoch an allen Punkten in der Wechselspannungswellenform eine positive Vorspannung aufrechterhalten. Der Betrag der Gleichvorspannung überschreitet die angelegte Wechselspannungswellenformamplitude signifikant, um die harmonische Verzerrung des Wechselspannungssignals zu verringern. Der Bezugsspannungspegel am Punkt D, der die negativen Kondensatorpole darstellt, wird in dem gezeigten einphasigen Wechselspannungssystem unter der Erdung gehalten. Es sollte beachtet werden, daß der Betrag des Kriechgleichstroms durch die Kondensatoren winzig ist. Der Gleichspannungspegel der Wechselspannungsquelle und der Wechselspannungslast wird als theoretisch identisch zur Wechselspannungssystemerdung angenommen. Folglich liegen die negativen Verbindungen der polaren Kondensatoren in dieser Ausführung unter der Systemerdung. Außerdem kann die Polarität der Kondensatoren und der Gleichvorspannungsquelle gleichzeitig umgekehrt werden. Diese Umkehr würde die positiven Pole der polaren Kondensatoren über die Erdungsreferenz anheben, hat jedoch keinen signifikanten Effekt erster Ordnung auf die Wechselspannungsübertragung. Überdies können mehrere parallele Schaltungen mit einer einzigen (oder alternativ einer gemeinsamen Vorspannung) verwendet werden. Dies demonstriert, daß eine vernachlässigbare stationäre Gleichvorspannung der Wechselspannungsschaltung auftritt. Die Auswahl der Antireihen-Orientierungsauswahl kann mit der Kondensatorgehäuseerdung, Sicherheit, Konvention, Kühlung, Übertragungsfunktion und anderen sekundären Erwägungen und Problemen in Beziehung stehen.
Der Widerstand 1119, der mit dem Knoten C verbindet, der Widerstand im negativen Gleichspannungszweig und der Widerstand 1121 sehen eine momentane symmetrische Gleichvorspannung der Kondensatoren vor. Es wird angemerkt, daß typische induktive und ohmsche Wechselspannungslasten und -quellen einen Gleichspannungskurzschluß mit der Systemerdung vorsehen. Es ist physikalisch zulässig, die Wechselspannungslast oder alternativ die Wechselspannungsquelle zwischen den polarisierten Kondensatoren anzuordnen. Es ist bevorzugt, daß beide Seiten eines Last-Ein/Aus-Schalters (nicht dargestellt) in dieser Ausführung mit der Gleichvorspannungsquelle in Widerstandsverbindung stehen. Diese Konfiguration stellt ein Verfahren zum Betreiben der Wechselspannungsquelle und der Wechselspannungslast an verschiedenen Gleichspannungs-Erdungsbezugspunkten bereit. Es wird angemerkt, daß, bis die Widerstände mit den Knoten A, D und C verbunden sind, die Gleichvorspannungsquelle vollständig von der Wechselspannungssystemerdung am Knoten B unabhängig ist. Dies liegt am Wechselspannungs- Isolationstransformator und an der Vollwellen-Gleichrichterbrücke. Die erforderliche Bedingung einer kontinuierlichen Gleichvorspannung kann mit einer Halbwellengleichrichtung geliefert werden, aber Oberwellen mit ½ Grundfrequenz werden dann in das Wechselspannungsnetzwerk injiziert.
Eine elektrisch isolierte geregelte Gleichspannungsversorgung mit oder ohne Batterie kann verwendet werden, wenn es erwünscht ist. Ebenso kann die Vorspannung mit den polarisieren, das Wechselspannungssignal tragenden Kondensatoren mit Induktoren oder anderen Schaltungselementen mit niedrigem Gleichspannungswiderstand und hoher Wechselspannungsimpedanz gekoppelt werden. Der Ausgangsabschnitt der Gleichspannungsquelle 1115 sowie die Diode 1117 können beseitigt werden, was ermöglicht, daß die Widerstände 1121, 1119 und die Kondensatoren 1112, 1114 als vereinfachter Ausgangsabschnitt dienen.
12 stellt eine Schaltung 1200 dar, die im Allgemeinen ein Dreiphasen-Dreidraht-Wechselspannungssystem zeigt, das ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beinhaltet, wobei die Gleichvorspannungsdetails weggelassen sind. Die Schaltung 1200 umfaßt eine dreiphasige Quelle 1201 (in einer Delta-Konfiguration gezeigt), in Durchlaßrichtung vorgespannte polarisierte Antireihen-Kondensatorpaare 1209A–1209C und eine dreiphasige Wechselspannungslast 1211, die Lasten 1211A–1211C umfaßt. Für ein zweckmäßig vorgespanntes Vorspannungssystem mit hoher Wechselspannungsimpedanz ist diese eine geeignete Konstruktionsnäherung. Die Wechselspannungsparameter der vorgespannten polaren Kondensatoranordnung reichen für die Wechselspannungsschaltungsanalyse aus. Es ist natürlich unnötig, die Gleichspannungsdetails in Wechselspannungsschaltungsmodellen für diesen Zweck zu zeigen. 12 ist folglich eine dreiphasige Version von 6A, wobei die Vorspannungsangaben weggelassen sind. Die bekannte Eigenschaft einer Gleichspannungssperre in Kondensatoren macht die Vorspannungsdetails für die Wechselspannungsschaltungsanalyse unnötig. Falls erwünscht, kann jedoch der Gleichvorspannungspegel des Systems für Sicherheits- und Wartungszwecke angegeben werden. Man beachte, daß dies als Reihenanwendung gezeigt ist.
Wenn die gezeigte Wechselspannungslast eine Strombegrenzungsvorrichtung wie z.B. ein Widerstand mit 3 Ω ist, dann wird diese kombinierte Last zu einer parallelen Leistungsfaktor-Korrekturvorrichtung für andere Wechselspannungslasten auf beiden Seiten des Quellentransformators. Diese Vorrichtung kann festverdrahte oder steuerbar sein. Wenn die angegebene Last eine nützliche Arbeit durchführt, dann wird die Leistungsfaktorkorrektur ohne Steigerung der Systemleistung durchgeführt. Irgendeine Schaltungskapazität, die gemäß dem hierin beschriebenen Zweck konstruiert wird, weist im Wesentlichen Anschlußeigenschaften eines nicht-polaren Kondensators auf, wie von der Wechselspannungsquelle zu sehen. Das Diagramm erspart sich folglich unnötiges Detail in der Konstruktion, Analyse und Fehlersuche. Auf die Details der Implementierung des polarisierten Kondensators kann nach Bedarf Bezug genommen werden. Ein alternatives Diagramm mit umgekehrten Kurven und Linien könnte verwendet werden, um eine entgegengesetzte Kondensatorausrichtung zu zeigen, falls erwünscht. Andere mehrphasige Konfigurationen, einschließlich mit neun Phasen und dergleichen, können ebenso dargestellt werden. Es wird angemerkt, daß man ein Kondensator-Antireihenpaar weglassen könnte, wie z.B. 1209B, falls die Netzwerkbetriebsparameter dies erfordern würden. Die negativen Pole der Kondensatoren 1209A, 1209C könnten immer noch unter den Pegel der Wechselspannungsquelle und -lasten vorgespannt werden.
13 zeigt ein 3-Phasen-Vierdraht-Wechselspannungssystem mit einer 3-phasigen, elektrisch isolierten, ungeregelten Gleichspannungsversorgung für die Kondensatorvorspannung. Die dreiphasige Gleichspannungsversorgung (Gleichspannungsquelle) 1301 wird verwendet, um polarisierte Kondensatorpaare 1309 gemäß der vorliegenden Erfindung in Durchlaßrichtung vorzuspannen. Die Leistungsversorgung 1301 umfaßt in diesem Beispiel im allgemeinen eine Transformatorprimärwicklung 1302A, eine Transformatorsekundärwicklung 1302B, eine Diodenbrücke 1303, Drosselspulen 1304 und 1305 und einen polarisierten Kondensator 1306 und eine Diode 1307. Die Gleichspannungsversorgung zusammen mit dem Widerstand 1308, die den Knoten 4–10 zugeordneten Dioden und die Dioden-Widerstandskombinationen, die zu den Knoten 1–3 gehören, bilden die Gleichvorspannungsquelle. Die Diodenbrücke 1303 ist eine dreiphasige Vollwellenvorrichtung mit sechs Impulsen. Die Dioden/Widerstands-Reihenelemente verbinden den negativen Zweig der Gleichspannungsversorgung jeweils mit den mittleren Knoten 1, 2 und 3 der polarisierten Kondensatoren, wie gezeigt. Der positive Zweig der Gleichspannungsversorgung ist über den Widerstand 1308 und die Dioden 1310 (Dioden # 4–10) mit den Knoten 4–9 der polarisierten Kondensatoren und mit dem neutralen Draht 10 des Systems verbunden. Die Antireihendioden 4 und 7 sperren den Wechselstrom vom A-Zweig, während sie die Antireihenkondensatoren durch den vorstehend aufgelisteten mittleren Knoten 1 mit Gleichspannung vorspannen. Der B-Zweig und die C-Zweige sind ebenso mit Gleichspannung vorgespannt. Ein Wechselstrom wird von der Quelle zur Last über die mit Gleichspannung vorgespannten Antireihenkondensatoren in den A-, B- und C-Zweigen zugeführt. Wie gezeigt, speisen die A-, B- und C-Zweige der Wechselspannungsquelle gleichzeitig die Kondensatoren und die Transformatorprimärwicklung. Die riesige Mehrheit der Wechselspannungsleistung wird zur Wechselspannungslast geliefert. Eine andere mehrphasige Wechselspannungssystem-Kondensatorkopplungsschaltung kann ebenso ausgeführt werden. Wie vorher angegeben ist die dargestellte Ausführung der Gleichvorspannungsversorgung willkürlich. Spezielle Anwendungen können alternative Gleichspannungsversorgungen für eine optimale Langzeitleistung erfordern. Typischerweise würde in Wechselspannungssystemen der neutrale Knoten 10 an einem einzelnen Punkt über eine harte Erdung, einen Erdungswiderstand, -induktor oder -kondensator geerdet werden. Man beachte, daß die elektrische Isolation der Konstruktion, die die Gleichspannungsquelle 1301 kennzeichnet, einen gewissen Effekt verliert, wenn sie mit der Wechselspannungsquelle, den polarisierten Kondensatoren, der Wechselspannungslast und der Systemerdung, falls vorhanden, verbunden ist.
Die Delta-Transformatorwicklungen 1302A der Primärseite und die Wicklungen der Wechselspannungsquelle (Wye, Scott Tee) sehen redundante Wege vor und beauftragen eine vereinheitlichte stationäre Systembezugsgleichspannung an den Knoten 4–10. Induktoren 1304, 1305, die Diode 1307 und der Widerstand 1308 verhindern eine Leitung des System- (Sperr-) Wechselstroms durch die Gleichspannungsversorgung. Die mittleren Knoten 1, 2, 3 der PECS-Vorrichtung werden durch die Gleichspannungsquelle 1301, die für eine im Wesentlichen gleichmäßige Gleichvorspannung der PECS-Vorrichtung sorgt, auf einem niedrigeren Gleichspannungspotential gehalten Dieser Gleichvorspannungsbetrag ist durch die Wechselspannungs-Systemerdungskonvention ungeändert. Man beachte, daß eine einzelne Gleichspannungsquelle die drei bei 1309 gezeigten PECS-Vorrichtungspaare vorspannt. Diese Kondensatorpaare liegen im Wesentlichen in Gleichspannungsparallelschaltung und liegen dennoch in drei separaten Wechselspannungszweigen. Tatsächlich liegt jede Wicklung von jedem Kondensatorpaar im Wesentlichen in Gleichspannungsparallelschaltung mit der Gleichspannungsquelle 1301.
14 zeigt ein alternatives dreiphasiges Vierdraht-Wechselspannungssystem mit einer dreiphasigen, ungeerdeten, ungeregelten Gleichspannungsversorgung 1401 zum Vorspannen der polarisierten Kondensatoren 1409. Anstelle einer Diodenverzweigung (1310) wird statt dessen eine Widerstandsverzweigung 1410 im dargestellten Ausführungsbeispiel verwendet. In einer Standard-Konstruktionsnäherung sind Größenordnungsunterschiede in der Impedanz zur vorherigen Schaltung funktional ähnlich. Die kapazitive Wechselspannungsimpedanz ist niedrig, so daß Wechselspannungswiderstände mit 500 [Ω] im Wesentlichen dasselbe Anschlußverhalten in einem System mit 120:208 [VAC] und 60 Hertz aufweisen wie die Wechselstromsperrdioden der vorherigen Schaltung. Diese Schaltung nutzt das ESR mit Milliohm (mΩ) der Kondensatoren parallel zum Widerstand von 500 [Ω], der mit den Knoten 1–10 verbunden ist, um den Wechselstrom effektiv vielmehr durch die Kondensatoren als die Gleichspannungsschaltung zu leiten, unter der Konvention, daß die Elektrizität dem Weg des geringsten Widerstandes folgt. Alle gezeigten Komponenten außer 1409 bilden die Gleichvorspannungsquelle in diesem Beispiel. Ein alternatives Verfahren zum Vorspannen wird verwendet, um darzustellen, daß viele derartigen Vorspannungsschemen mit hoher Wechselspannungsimpedanz konstruiert werden können, um die Zwecke der Erfindung zu bewerkstelligen.
15 stellt ein alternatives induktives Verfahren zum Vorspannen der vorher in 13 und 14 gezeigten polarisierten Kondensatoren dar. 15 besteht aus einer Wechselspannungsquelle, einer Last und Antireihenkondensatoren, die mit 1509 bezeichnet sind, in Reihe, drei diskreten dreiphasigen Induktorspulen und einer Gleichspannungsquelle 1501. Der positive Zweig der Gleichspannungsquelle ist mit Ausgangsdioden P1 und P2 verbunden, während der negative Zweig mit einer strombegrenzten Diode mit einem Ausgang N1 verbunden ist. Entlang dieser Leitungen sollte es für Fachleute klar sein, daß viele zusätzliche Vorspannungsschemen hierin angedeutet werden. Man beachte, daß der Ausgang N1 mit den negativen Polen der polaren Kondensatoren über Induktoren an den Knoten 1–3 verbunden ist, während P1 und P2 mit den positiven Polen 4–9 der Kondensatoren in diesem dreiphasigen Dreidraht- (Delta) Wechselspannungssystem, das mit 1509 bezeichnet ist, verbunden sind. Reihenwiderstandselemente im Gleichspannungsweg können hinzugefügt werden, um den Wechselstrom durch die Gleichspannungsquelle weiter zu verringern. Man beachte auch, daß der Gleichrichterisolationstransformator aus dem Diagramm der Einfachheit halber weggelassen ist. Zweckmäßig ausgewählt können folglich Induktoren mit hoher Impedanz oder Transformatorspulen verwendet werden, um die Gleichspannungsquelle mit den polarisierten Kondensatoren zu koppeln, während ein Wechselspannungssperrhilfsmittel bereitgestellt wird.
Dieses Phänomen gibt Anlaß zur Vorsicht. Eine Magnetspule oder ein kleiner Widerstand, die/der über einer Gleichvorspannung angeordnet wird, erzeugt einen Kurzschluß. Dies kann eine destruktive Umkehrspannungsbedingung über den polarisierten Kondensatoren verursachen, wenn nicht achtgegeben wird. Gefahren von umgekehrter Polarität sind Fachleuten gut bekannt. Aus diesem Grund sollte der normale Verlauf darin bestehen, die polarisierte Kondensatoranordnung als Einheit zu verwenden. Hochpaß-, Tiefpaß-, Bandpaß- und Sperrfilter, die mit dem mittleren Knoten verbunden sind, sollten aus denselben Gründen mit äußerster Vorsicht versucht werden.
Man erinnere sich daran, daß Motoren und Transformatoren integrale Spulen aufweisen. Ferner erinnere man sich daran, daß eine Energieumwandlungsanlage typischerweise Isolationstransformatoren umfaßt. Man betrachte einen Verteilungsebenentransformator, der einen oder mehrere Wechselspannungsmotoren durch die vorliegende Erfindung und eine andere Anlage parallel betreibt. In diesem allgemeinen Fall sind Induktorspulen und Widerstandswege sowohl auf der Quellen- als auch der Lastseite der Kondensatorbank vorhanden. Dies gilt für die spannungsführenden Leitungen für Verbindungen des Typs Wye-, Scott Tee, Delta des hohen Zweigs, Offenes Delta und Delta und für die neutralen Leitungen nur in den ersten drei Fällen. Man beachte auch, daß vorherrschende Erdungen in Wechselspannungssystemen vom festen, Widerstands- oder induktiven Typ sind. In der normalen stationären Betriebsart haben wir folglich redundante Gleichvorspannungswege zu den Leitern in typischen einphasigen und mehrphasigen elektrischen Netzwerken. Die internen Knoten der Kondensatorbank können redundant verbunden sein; aufgrund der obigen Bedingung wird dies jedoch selten als für die externen Knoten erforderlich betrachtet.
16 stellt eine Schaltung 1600 dar, die eine Implementierung der vorliegenden Erfindung bereitstellt, die für ein einphasiges System mit 120:240 [VAC] geeignet ist. Dies ist das üblichste Haushalts-Wechselspannungsverteilungsschema, das in den Vereinigten Staaten verwendet wird. Man beachte, daß eine Antireihen-Kondensatoranordnung 1609 in jedem spannungsführenden Zweig vorhanden ist, obwohl eine neutrale Anordnung enthalten sein könnte. Die Kondensatoranordnungs-Gleichspannungs-Übergangsknoten sind unter die Systemerdung vorgespannt. Die Details der Gleichspannungsversorgung und der Wechselstromsperre sind aus dem Diagramm der Einfachheit halber weggelassen. Die Wechselspannungssystemerdung, die neutralen und spannungsführenden Zweige sind Oberflächen gleichen Potentials bezüglich der stationären Gleichspannung. Polarisierte Kondensatoren sind mit diskreten Wechselstromwelligkeits-Nennwerten erhältlich. Parallele Kondensatoren oder Kondensatoranordnungen können erforderlich sein, um willkürliche Wechselstromnennwerte zu verwirklichen. Vorübergehende (Impuls & Stromstoß) und/oder stationäre Stromparameter können verwendet werden, um die Anzahl und Konstruktion von polaren Kondensatoren zu bestimmen, die in einer gegebenen Anordnung erforderlich sind. 16 zeigt eine parallele Anordnung von Kondensatoren, die so konstruiert sind, daß jedes interne Element parallel ist. Die parallelen Verbindungen können festverdrahtet oder steuerbar sein. Die Wechselspannungslasten für eine solche Anwendung können durch Zwei- oder Dreidraht-VAC von 120 oder durch Zwei-, Drei- oder Vierdraht-VAC von 240 gespeist werden. Die mittlere Wicklung des Transformators und der neutrale Draht der Last ist in dieser Schaltung fest geerdet.
Netzwerkparameter und Ziele wie z.B. Resonanz können durch Ein- und Ausschalten von Bänken von Kondensatoren bewerkstelligt werden. Dieses Schalten kann manuell, elektromechanisch oder durch Halbleitereinrichtungen durchgeführt werden. In vielen Fällen (einschließlich ohne Begrenzung Aluminium-Elektrolytkondensatoren) können die Kapazität, der Reihenwiderstand, die Wechselspannungsimpedanz, die Betriebslebensdauer, der Verlustfaktor und dergleichen auch mittels einer Umgebungs- und Kerntemperaturregelung gesteuert werden. Diese Kondensatorparameter und die Kondensatorlebensdauererwartung variieren mit der Kerntemperatur und können durch eine absichtliche Temperaturänderung etwas abgestimmt werden.
Es ist erwünscht, eine zweckmäßige Gleichvorspannung von parallelen Einheiten aufrechtzuerhalten. Es ist auch vorteilhaft, Verbindungen mit hoher Wechselspannungsimpedanz und niedrigem Gleichspannungswiderstand um den Schaltmechanismus im Fall von steuerbaren Schalteinheiten bereitzustellen. Man beachte auch, daß der Quellentransformator einen redundanten Gleichvorspannungsweg zu jedem Zweig der Schaltung 1600 vorsieht, abgesehen von den Gleichspannungs-Übergangsknoten. Die Schaltung von 16 kann für einen Kaskadenausfall weniger anfällig gemacht werden, indem der Gleichvorspannungsweg mit den Flügeln und mittleren Knoten ebenso wie der Wechselspannungsweg von jeder PECS-Vorrichtung in den Zweigen mit 120 [V] des Ausgangs mit 240:120 [V] separat verschmolzen wird. Die Schaltung von
16 kann ferner durch Trennen der Ausgänge und, falls erwünscht, der mittleren Knoten in eine Wechselstromteilerschaltung umgewandelt werden.
17 zeigt eine einfache Darstellung einer Hochspannungsausführung eines polarisierten 4n+-Kondensators und einer Vorspannungsschaltung 1700. Die Schaltung 1700 umfaßt im allgemeinen eine Wechselspannungsquelle 1701, polarisierte Antireihenkondensatoren 1702–1705 und eine Wechselspannungslast 1716 sowie eine Gleichvorspannungsschaltung. Die Gleichvorspannungsquelle besteht aus Widerständen 1706, 1707, 1708, 1713, 1714 und Gleichspannungsquellen 1709–1712. Die Kondensatoren 1702, 1703 liegen in Reihe ebenso wie die Kondensatoren 1704, 1705. Die Kondensatorpaare 1702, 1703 und 1704, 1705 sind in einer Antireihen-Wechselspannungskonfiguration verbunden. Sie liegen auch im Wesentlichen miteinander in Gleichspannungsparallelschaltung. Folglich sehen der Ladegleichstrom, der Kriechstrom und die Vorspannung parallele Konfigurationen mit zwei Kondensatoren. Das Wechselspannungssignal läuft jedoch durch das, was effektiv eine Reihenkonfiguration von 4 Kondensatoren ist. Dieser Punkt ist bei der Bestimmung der maximalen Kondensatorspannungen signifikant, wenn die Komponententoleranz oder der Komponentenfehler berücksichtigt wird. Dieses System kann erweitert werden, um die Konstruktion von 6n+-, 8n+-Wechselspannungskondensatoren und solchen mit höherer Spannung unter Verwendung von polarisierten Kondensatoren zu ermöglichen. Es wird angemerkt, daß die Gesamtsymmetrie aufrechterhalten wird. In dieser speziellen Implementierung ist die Vorspannung explizit extern geteilt. Dies ist nicht wesentlich, sondern stellt nur ein Vorspannungsverfahren dar. Wie es bei anderen Kondensatorklassen und -typen der Fall ist, wirken die Kondensatoren intrinsisch als Spannungsteiler sowohl für Wechselspannung als auch Gleichspannung innerhalb des Komponentenfehlers. Eine einzelne Gleichspannungsquelle oder zwei Gleichspannungsquellen können mit geeigneten Wechselspannungssperrvorrichtungen und Vorspannungserwägungen eingesetzt werden. Verteilungswiderstände können dazu ausgelegt sein, eine geeignete Gleichvorspannungsteilung und eine verbesserte Wechselspannungsteilung über den Kondensatoren 1702–1705 vorzusehen. Dieses Widerstands- Vorspannungsnetzwerk kann die Effekte von Kondensatorkomponenten-Toleranzunterschieden verringern. Die Wechselspannungs-Netzwerkimpedanz, die Kapazität, der Ersatzreihenwiderstand und dergleichen können über das Ein- oder Ausschalten von einem oder mehreren Kondensatoren in Reihe oder parallel geändert werden. Aluminium-Elektrolytkondensatorfälle, wie typischerweise aus Wärmeableitungsgründen konstruiert, können vielmehr auf der Spannung des negativen Pols als der Systemerdung liegen, eine Angelegenheit, die einen Grad an Vorsicht erfordert. Ein weiteres interessierendes Gebiet ist, daß eine nutzbare Asymmetrie in Bezug auf die Spannungsteilung von Wechselspannung und Gleichspannung vorliegt. Unter Abtastung von oben nach unten existieren drei in Durchlaßrichtung vorgespannte Bedingungen. Gleiche Ausmaße an Vorspannungsbedingungen existieren von unten nach oben. Man beachte, daß derselbe Zweck der Wechselspannungsteilung durch zwei unabhängige Antireihenkonfigurationen von PECS-Vorrichtungen bewerkstelligt werden kann, wie es in dieser Schaltung mit einer Antireihenkonfiguration von Reihenkondensatoren pro Flügel bewerkstelligt wird. Dieses alternative Verfahren stellt eine niedrigere Gleichvorspannungsquelle bereit und umfaßt ein umfangreicheres Beispiel des Prinzips der Wechselspannungsreihentopographie gleichzeitig mit der parallelen Gleichspannungstopographie. Ein Beispiel der Nützlichkeit der obigen Beobachtung ist, daß fünfundzwanzig Prozent der über die Kondensatorbank angelegten Wechselspannung über irgendeinem gegebenen Kondensator vorliegt. Innerhalb der Komponententoleranzen und/oder des Komponentenfehlers kann man die angelegte Wechselspannung bei einer verringerten Spannung überwachen und irgendeine Elektronik, die eine Vorspannung erfordert, kann direkt verwendet werden.
Reihenimplementierungen von Kondensatoren werden in der herkömmlichen elektrischen Konstruktion vermieden, wo es möglich ist. Der Hauptgrund besteht darin, daß zwei identische Kondensatoren in Reihe die halbe Kapazität eines einzelnen Kondensators aufweisen. Dies ist eine belastende Situation bei derzeit erhältlichen Wechselspannungs-Kondensatortechnologien aufgrund des niedrigen Pegels der wirtschaftlich realisierbaren Kapazität. Dieses Phänomen ist jedoch bei der vorliegenden Erfindung unbedeutend. Ein Welligkeitswechselstrom ist normalerweise vielmehr der begrenzende Parameter der vorliegenden Erfindung als die Kapazität. Die vorliegende Erfindung stellt hierin über die Verwendung von PECS-Vorrichtungen eine Überfülle an Kapazität bereit.
18 stellt noch eine weitere Ausführung einer Schaltung 1800 der vorliegenden Erfindung dar. Die Schaltung 1800 verwendet eine variable Gleichspannungsquelle 1801, deren Wert zur Wechselspannung über dem Antireihen-Kondensatorpaar 1809 proportional ist, um das Kondensatorpaar 1809 in Durchlaßrichtung mit Gleichspannung vorzuspannen. Dies stellt sicher, daß das Antireihen-Kondensatorpaar 1809 auf der Basis der Größe des angelegten Wechselspannungssignals ausreichend in Durchlaßrichtung vorgespannt bleibt. Die Primärseite des gezeigten kleinen Isolationstransformators wird durch die Spannung über der mechanischen Antireihen-Kondensatoranordnung 1809 erregt. Man beachte, daß die Transformator-Primärseite als Gleichspannungskurzschluß mit den positiven Polen der Kondensatoren wirkt. Wie hierin ansonsten erörtert, weist ein beliebiger Induktor diese physikalische Eigenschaft auf. Ein Transformatorverhältnis der Primärwicklung zur Sekundärwicklung zwischen 1:1 und 2:1 ist für Implementierungen von 1 Ω oder 3 Ω der dargestellten Schaltung geeignet. Eine Vollwellen-Diodenbrücke mit einem Filter ist mit der Sekundärseite des Transformators gekoppelt. Das elektrisch isolierte, gefilterte Ausgangssignal wird dann in die Antireihenkondensatoren als Gleichspannungsversorgung eingeschaltet. Der Widerstand 1803 und die Diode 1802 dienen als Wechselspannungssperrvorrichtung und als Gleichvorspannungsverbindung vom Kondensator-Gleichspannungs-Übergangsknoten m mit dem negativen Pol der Gleichspannungsversorgung. Wenn der Kondensator-Wechselspannungsabfall (angelegte Spannung) zunimmt, nimmt die Gleichvorspannung zu. Wenn der Wechselspannungsabfall über dem Kondensator abnimmt, beginnt die Vorspannung langsam abzuklingen. Folglich weist diese Konfiguration ein Rückkopplungsmerkmal auf und reagiert dynamisch auf einen Bedarf für eine erhöhte Gleichvorspannung. Ein Lastwiderstand 1804 ist parallel mit der Wechselspannungslast gezeigt. Dies ist ein Vorbelastungswidersand und wird von Fachleuten umfangreich verwendet, um die Spannungsregelung zu verbessern. Die Vorspannung von 18 kann verwendet werden, um eine kontinuierliche Vorspannung in Durchlaßrichtung für beide Kondensatorflügel bereitzustellen. Es ist für die Handhabung von vorübergehenden Wechselspannungssystem-Resonanzvorspannungsanforderungen geeignet, wenn die Komponentennennwerte geeignet sind. Verschiedene Implementierungen können einen Widerstand im positiven Gleichvorspannungszweig umfassen. Man beachte, daß in vielen Anwendungen eine redundante Gleichvorspannungsversorgung erwünscht sein kann. Eine Anstrengung, um die Komponentenanzahl zu verringern, ist eine Aufgabe der elektrischen Konstruktion von 18. Ein analoges System kann konstruiert werden, in dem die elektrische Gleichspannungsisolation durch Kondensatoren bereitgestellt wird.
19 zeigt einen Kondensator-Wechselspannungs-Induktions- (oder Spaltphasen-) Motor unter Verwendung einer PECS-Vorrichtungsimplementierung der vorliegenden Erfindung. Eine Wechselspannungsquelle 1904, ein Schalter 1902, ein PECSD-Paar 1903 und Motor- (Stator-) Wicklungen 1900, 1901 sind gezeigt. Die Gleichvorspannungsschaltungs- und Rotordetails sind weggelassen. Die Motorwicklung 1900 ist mit einer in Durchlaßrichtung durch Gleichspannung vorgespannten Antireihen-Kondensatoranordnung 1903 verbunden. Die Motor- (Stator-) Wicklung 1901 liegt mit der Anordnung aus 1900 und 1903 parallel. Der Schalter 1902 ist geschlossen, um die Wechselspannungsquelle 1904 zu verbinden. Spaltphasen- (und/oder Kondensator-Wechselspannungsinduktions-) Motoren sehen ein Startdrehmoment und ein Rotationsfeld vor. Die Reihenkombination aus 1900, 1903 erzeugt einen Einheits- oder geringfügig voreilenden Leistungsfaktor. Dies verursacht, daß die Ströme durch die Spulen (Motorwicklungen) 1900 und 1901 um ungefähr 90° phasenverschoben sind. Es besteht insofern kein Bedarf, die Motorwicklung 1900 abzutrennen, als die vorliegende Erfindung für ein kontinuierliches Tastverhältnis geeignet ist. Diese Phasenverschiebung von 90° kann die mechanische Schwingung (Pulsierung) von 120 Hertz, die für einphasige Motoren charakteristisch ist, aufheben oder verringern. Alternativ kann die Motorwicklung 1901 nach dem Start abgetrennt werden. Beide Verfahren können verwendet werden, um eine Schaltung zu konfigurieren, die während des stationären Zustandes und/oder Starts willkürlich nahe der Resonanz liegt.
20 zeigt einen abgestimmten Reihen-LC-Resonanzkreis 2000, der aus einem Induktor 2001 und einem PECS-Vorrichtungspaar 2002 der vorliegenden Erfindung besteht. Ein Halbleiter- (einseitiger statischer) Schalter 2003, der in dieser Zeichnung aus antiparallelen Thyristoren (SCRs) besteht, ist mit 2002 parallelgeschaltet. Der Widerstand 2004 stellt die stationäre Last dar. Reihen- und/oder parallele Kombinationen von Induktoren und Kondensatoren werden typischerweise im Handel als LC-Kreise bezeichnet und werden umfangreich für Filterzwecke verwendet. Die Gleichvorspannungsdetails sind der Einfachheit halber weggelassen. Wenn eine Schaltungsfehlerbedingung durch Schließen des Schalters 2005 hergestellt wird, erfaßt der Stromdetektor (Torus) 2006 einen schnell zunehmenden Strom. Alternativ kann ein Spannungsabtastmechanismus, eine Erdungsfehlererfassung oder alternative Verfahren verwendet werden, um Netzwerkfehlerbedingungen zu erfassen. Dieses Signal ist mit dem Halbleiterschalter über eine kommerziell erhältliche Schaltung wirksam verbunden. Wenn der statische Schalter die PECS-Vorrichtung 2002 der vorliegenden Erfindung kurzschließt, wird die Resonanz-Bandpaßschaltung von 2002 zutiefst induktiv und strombegrenzend. Die Ansprechzeit eines kommerziellen Halbleiterschalters liegt unter einem Zyklus. Man beachte, daß ein Schalter ähnlich zu 2003 im Wesentlichen parallel über dem Induktor 2001 angeordnet werden könnte. Dies würde die Fähigkeit bereitstellen, stationäre Wechselspannungs-Netzwerkparameter durch Kurzschließen der übermäßigen Induktivität abzustimmen. Ähnliche Abstimm- und Verstimmechanismen können für parallele LC-Kreise und Hybridkonstruktionen konstruiert werden.
21 stellt eine Anordnung 2100 dar, die vier polarisierte Kondensatoren 2101 bis 2104 umfaßt, die durch nicht-leitende vertikale Streifen 2111 und 2112, die mit Leitern 2107, 2108 verbunden sind, mechanisch aufgehängt sind. Die Kondensatoren 2101 und 2102 sind über den negativen Stützenleiter 2105 und einen leitenden Wärmetauscher 2107 parallelgeschaltet, ebenso wie die Kondensatoren 2103 und 2104, die durch Leiter 2106 und 2108 verbunden sind.
Eine Kondensatorbusverbindung des positiven Pols und die Vorspannungsschaltungsdetails sind der Einfachheit halber weggelassen. Für dieses Beispiel werden polarisierte Kondensatoren mit integralen Basisbolzen wegen ihrer Wärmeleitungsfähigkeiten ausgewählt. Der Leiter 2107 liegt im Wesentlichen auf demselben Potential wie der Leiter 2105 und die Gehäuse 2101, 2102. Ebenso sind 2108 und 2106 und die Gehäuse 2103, 2104 in den meisten kommerziell erhältlichen Elektrolytkondensatoren mit großem Gehäuse auf einem virtuellen Kurzschluß. Der flüssige Dielektrikums- (Öl-) Spiegel liegt über den Leitern 2107 und 2108 für die Wärmeableitung ohne die Anforderung von elektrischen Verbindungserwägungen. Der Ölspiegel kann über die Kondensatorgehäuse angehoben werden, um die elektrische Berührungssicherheit zu maximieren, wenn trockene Verbindungen und freie Kondensatordruck-Entlüftungsöffnungen aufrechterhalten werden. Eine mechanische Rohrleitung eines vereinfachten externen Wärmetauschers 2109 ist gezeigt. Die einfache Konstruktion stellt ein Verfahren zur Bereitstellung einer elektrischen Isolation und Temperaturregelung für den stationären Betrieb von PECS-Vorrichtungen dar. Die Lebensdauererwartung von PECS-Vorrichtungen und die kapazitiven Parameter können durch die Einstellung der Öltemperatur verändert werden. Die elektrische Sicherheit wird durch die isolierenden Eigenschaften des flüssigen Dielektrikums und die Isolationsbefestigungsvorrichtungen bereitgestellt. Der Begriff "flüssiges Dielektrikum" soll nicht die Isolation und Wärmeregulierung über gasförmige oder feste Dielektrika mit Temperaturleitung, Konvektion, Strahlung und/oder Phononenübertragungsfähigkeit ausschließen und ist vielmehr erläuternd als begrenzend. Verschiedene Isolationsbefestigungsmechanismen und -verfahren zum Aufrechterhalten eines guten elektrischen Kontakts in Ölbädern sind Handelsleuten vertraut. Eine Isolationskappe, eine Manschette, eine Dichtung, eine Hülse oder ein Entlüftungsauslaßrohr und/oder trockene Verbindungsverfahren und Produkte wie z.B. "Chico" und Silizium sind Beispiele. Eben dieser Zweck der verbesserten Kühlung und elektrischen Sicherheit können durch einen vergrößerten Luftstrom in einem berührungssicheren Gehäuse wie z.B. Innenspezifikationen für den Eindringschutz IP-20 bewerkstelligt werden. Konstruktionen von integralen Wärmetauschern können bei 2107, 2108 und am Gehäuse verwendet werden, um den Wärmeübertragungswirkungsgrad weiter zu verbessern. Man beachte, daß der externe Wärmetauscher 2109 mit verschiedenen Heiz- und/oder Kühlmechanismen wie z.B. Wasserbädern oder Wärmepumpen verbunden sein kann. Die bevorzugte Implementierung variiert mit dem Vorrichtungsleistungspegel, der Umgebungstemperatur, optimalen Kondensatorparametern, der Berührungssicherheit und ähnlichen Erwägungen. Außerdem können PECS-Vorrichtungen und PECS-Vorrichtungskombinationen mit mehreren elektrischen Polaritäten, die aus Wärmeleitungsgründen über das Gehäuse oder alternativ über Wärmetauscherverbesserungen einer menschlichen Berührung ausgesetzt sind, konstruiert werden. Diese Konstruktionen tragen zu den Berührungssicherheitsproblemen bei und erhöhen den Nutzen der Temperaturregelung in Kombination mit Sicherheitserwägungen eines elektrischen Kontakts weiter. Von verschiedenen Herstellungsverfahren, die Konstruktionen eines "Gehäuses innerhalb eines Gehäuses", verschiedene Zustände von Stoff, Massentransport und dergleichen verwenden, wird erwartet, daß sie einen signifikanten Nutzen bei der Wärmeregelung für Implementierungen der vorliegenden Erfindung aufweisen. Ebenso ist das direkte Einsetzen eines Wärmetauscherelements in das Kondensatorgehäuse brauchbar, wenn Konstruktionserwägungen der elektrischen Isolation verwendet werden.
22 zeigt eine Schaltung 2200, die aus einer Wechselspannungsquelle 2201, einem Autotransformator 2202, einem Widerstand 2203, einem Gleichrichter 2204, einem Schalter 2205, polarisierten Kondensatoren 2206, 2207 und einer Wechselspannungslast 2208 besteht. Der Autotransformator 2202 stellt die Systemwechselspannung auf die Ladeschaltung, die aus dem Widerstand 2203 und der Diode 2204 besteht, an der anderen als der Systemwechselspannung ein. Ein wahlweiser Belastungswiderstand 2209 verbindet den Kondensator 2206 mit der Ladeschaltung. Die Ladeschaltung hält die polarisierten Kondensatoren auf einer beliebigen willkürlichen Gleichvorspannung, bis die Last eingekuppelt ist. Es ist auch möglich, eine kontinuierliche Betriebsfähigkeit unter Verwendung einer Halbwellen- oder Vollwellen-Gleichrichterbrücke und anderer derartiger Verfahren zu erreichen. Alternative Verfahren zum Erreichen einer elektrischen Isolation, die zum Aufrechterhalten einer kontinuierlichen Gleichvorspannung über den polarisierten Kondensatoren geeignet sind, können verwendet werden. Dieses System kann umkonstruiert werden, um eine elektrische Gleichspannungsisolation vorzusehen, indem der Autotransformator mit der Wechselspannungsversorgung über zwei Kondensatoren verbunden wird. Ferner wird angemerkt, daß die zwei Kondensatoren ein antiparalleler Satz von PECS-Vorrichtungen sein können. Dieses Verfahren hat Fähigkeiten in Energieumwandlungsanwendungen wie z.B. Gleichrichtern und Wechselrichtern. Die Schaltung kann selbstvorspannend sein, das heißt ohne die Anforderung für eine Steuerschaltung. Diese Schaltung stellt hauptsächlich die Verwendung eines Autotransformators in einer Vorspannungsschaltung dar, um einen ausgewählten Vorspannungspegel zu erreichen. Man kann Stufenschalter, gesteuerte Gleichrichter und dergleichen aufnehmen, um den Gleichvorspannungspegel zu regeln.
23 zeigt eine Wechselspannungsquelle 2301, polarisierte Kondensatoren 2302, 2303, einen steuerbaren Gleichrichter 2304, einen Strombegrenzungswiderstand 2305, einen Lastwiderstand 2306, einen Schalter 2307 und eine Last 2308. Der steuerbare Gleichrichter wie z.B. ein IGBT, ein Transistor, ein Grenz-SCR oder dergleichen kann durchgesteuert oder gesperrt werden, um den Pegel der Gleichvorspannung zu steuern. Eine Halbwellengleichrichtung wird veranlaßt, wenn ein Wechselstrom durch den Kondensator 2302, den Gleichrichter 2304 und den Strombegrenzungswiderstand 2305 fließt. Der Vorlastwiderstand 2306 mit hoher Impedanz kann weggelassen werden. Diese Schaltung hat die Fähigkeit, eine geregelte Kondensatorvorspannungsladung aufzubauen und aufrechtzuerhalten, ohne die Kondensatoren zu überladen. Die Details der Gleichrichter-Steuerschaltung sind weggelassen, da solche Steuerschaltungen kommerziell erhältlich sind und die Konstruktionsverfahren Handelsleuten vertraut sind. Es wird angemerkt, daß diese Konfiguration im Kleinsignalbereich arbeitet und im vorübergehenden und/oder stationären Betrieb von Nutzen ist. Ferner wird angemerkt, daß ein ungesteuerter Gleichrichter (Diode) für 2304 eingesetzt werden kann. Die Schaltung stellt eine Gleichvorspannung über den Kondensatoren 2302, 2303 im Wesentlichen gleich der Spitzen-Null-Spannungsamplitude der Wechselspannungsquelle 2301 her und hält diese aufrecht. Der stationäre Gleichstrom durch den Widerstand 2305 ist im Wesentlichen gleich dem Kriechgleichstrom der Kondensatoren 2302, 2303.
23A stellt eine vereinfachte Schaltung 23 dar, um den Lademechanismus deutlicher zu zeigen. Die Schaltungselemente sind umgeordnet, um auf die Verfolgung zuzuschneiden. Wenn der steuerbare Gleichrichter 2304 durchgesteuert wird, verursacht eine halbe Welle oder ein Teil davon einen Gleichrichtungsstrom und einen Ladungsaufbau über dem Kondensator 2302. Der Widerstand 2305 oder eine ähnliche Vorrichtung dient zum Verringern des vorübergehenden (Gleichvorspannungslade-, Halbwellen-) Stroms und läßt die Last (nicht dargestellt) eingekoppelt. Kein signifikanter stationärer Wechselstrom fließt durch den Widerstand 2305.
24 zeigt eine Wechselspannungsquelle 2401, eine Zenerdiode 2402, eine Diode 2403, polarisierte Kondensatoren 2404, 2405, eine Sperrdiode 2406, einen Sperrwiderstand 2407, einen wahlweisen Widerstand 2408, einen Schalter 2409, eine Wechselspannungslast 2410 und einen Induktor 2411. Dies ist eine nicht-gesteuerte Version der Schaltung von 23. Die Zenerdiode 2402 liegt in Antireihe mit der Diode 2403 und der Induktor 2411 begrenzt die Kondensatorvorspannung ohne Verwendung einer Steuerschaltung. Ein Teil der übermäßigen Gleichvorspannung wird durch die Zenerdiode 2402, die Diode 2403 und den Induktor 2411 geleitet und abgeleitet. Es wird angemerkt, daß diese Konfiguration in Abhängigkeit von den ausgewählten Komponentenwerten die Fähigkeit opfern kann, im Kleinsignalbereich zu arbeiten. Man beachte auch, daß der Induktor 2411 gegen einen Widerstand oder eine andere geeignete Wechselspannungssperr-Gleichspannungsableitungs-Komponente ausgetauscht werden kann.
25 zeigt eine Schaltung 2500, die aus einer Wechselspannungsquelle 2502, polarisierten Kondensatoren 2512, 2514 und einer Wechselspannungslast 2520 besteht. Es ist auch eine Gleichvorspannungsquelle gezeigt, die aus Widerständen 2503, 2505, 2507, 2509, einer Diode 2521 und einer Gleichspannungsquelle 2522 besteht, die selbst dann funktioniert, wenn die Wechselspannungsquelle oder die Last aus der Schaltung ausgeschaltet sind. Die Gleichvorspannungsquelle stellt eine Durchlaßvorspannung über den Kondensatoren 2512, 2514 her und hält diese aufrecht. Die Widerstände 2503, 2505, 2507, 2509 und die Diode 2521 verteilen die Gleichspannung gleichmäßig über den Kondensatoren und verhindern, daß irgendein signifikanter Wechselstrom die Kondensatoren umgeht. Es wird angemerkt, daß irgendein einzelner Knoten dieser Schaltung wirksam mit einer Systemerdung verbunden sein kann. In dieser Darstellung arbeiten die Wechselspannungslast und die Wechselspannungsquelle auf verschiedenen Bezugsgleichspannungen.
Unter anderem stellt diese Schaltungszeichnung dar, daß eine Konfiguration von Antireihen-PECS-Vorrichtungen (polarisierte Kondensatoren 2512 und 2514 in der Zeichnung) mehr als einen Gleichspannungs-Übergangsknoten aufweisen können. Ein erster Gleichspannungs-Übergangsknoten, der Wechselspannungsvorrichtungen 2507, 2509 an den positiven Kondensatorverbindungen umfaßt, ist mit der Wechselspannungslast gekoppelt und ein zweiter Gleichspannungs-Übergangsknoten, der Wechselspannungsvorrichtungen 2503, 2505 an den negativen Kondensatorverbindungen umfaßt, ist mit der Wechselspannungsquelle gekoppelt. Die Schaltung zeigt ferner, daß die Kondensatororientierung willkürlich als positiv zu positiv, negativ zu negativ oder mit trennenden Wechselspannungsvorrichtungen dargestellt werden kann, ohne einen Einfluß erster Ordnung auf die Wechselspannungsübertragung in einer ungeerdeten Anwendung zu haben, in der die Gleichspannungserwägungen eine geringe Beziehung mit der Wechselspannungsübertragung aufweisen.
26 stellt eine Schaltung 2600 dar, die aus einer Wechselspannungsquelle 2602, einer Wechselspannungslast 2622 und polarisierten Kondensatorpaaren 2604, 2606 und 2608, 2610 besteht. Die zugehörige Gleichvorspannungsschaltung wird durch eine Gleichspannungsquelle 2618 gespeist und durch eine Reihendiode 2621 und einen Reihenwiderstand 2619 und die zugehörigen Verteilungswiderstände 2605, 2615, 2603, 2607, 2609, 2611, 2613 und 2617 gespeist. Es wird angemerkt, daß die Widerstände 2605, 2615 eine gleichmäßige Gleichspannung an den positiven Gleichspannungsknoten der Kondensatoren 2604, 2606 und 2608, 2610 aufrechterhalten. Ebenso werden die negativen Gleichspannungsknoten der Kondensatoren durch die Widerstände 2603, 2607, 2609, 2611, 2613, 2617 auf einer gemeinsamen Bezugsgleichspannung gehalten. Die Diode 2621 und der Widerstand 2619 dienen zum Abhalten des Wechselstroms vom Fließen durch die Gleichspannungsquelle 2618. Der Punkt A zeigt den Verbindungspunkt mit der oberen Vorspannungsschaltung. Zweckmäßig ausgewählte Widerstandswerte können zum Verringern der Effekte der Kondensatorkomponentenänderung in der Wechselspannungs-Voltteilung dienen. Die Schaltung 2600 stellt die Verwendung einer einzelnen niedrigen Gleichspannungsquelle zum Vorspannen von zwei polarisierten Antireihen-Kondensatorpaaren dar, die in einer Reihenweise angeordnet sind. Jeder der Kondensatoren ist im Wesentlichen in Gleichspannungsparallelschaltung mit der Gleichspannungsquelle und den anderen Kondensatoren angeordnet. Es ist ersichtlich, daß drei oder mehr Antireihen-Kondensatorpaare in einer Reihenkonfiguration ebenso durch eine einzelne niedrige Spannungsquelle mit einem geeigneten Vorspannungsverteilungsnetzwerk vorgespannt werden könnten.
27 zeigt eine Schaltung 2700 mit einer Wechselspannungsquelle 2702, einem Isolationstransformator 2704 und polarisierten Antireihenkondensatoren 2706, 2708. Es ist auch eine Gleichvorspannungsquelle enthalten, die aus einer Thyristorbrücke 2709–2715, Spulen 2717, 2719, Vorspannungswiderständen 2723–2729 und einem Filterkondensator 2721 besteht, der mit dem positiven Spannungspol der Kondensatoren 2706, 2708 über den Knoten X verbunden ist. Eine ähnliche Wechselspannungssperrverbindung des negativen Gleichspannungsausgangs mit den negativen Polen der Kondensatoren 2706, 2708 ist nicht gezeigt. Die gleichgerichtete Ausgangswelle wird durch Induktoren 2717, 2719 und den polarisierten Kondensator 2721 gefiltert und zu einer Gleichspannungslast 2730 geleitet. Ein kleiner Teil der verfügbaren Gleichspannung wird verwendet, um die Kondensatoren 2706, 2708 in Durchlaßrichtung vorzuspannen, wenn geeignete Wechselspannungssperrvorrichtungen die negativen Pole der Kondensatoren mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle verbinden. Diese Konfiguration stellt das Gleichspannungssperrmerkmal von polarisierten Kondensatoren in einer Wechselspannungsanwendung dar. Es ist auch ein Verfahren gezeigt, um die erzeugte Gleichspannung in einer üblichen Anwendung, jener eines Batterieladegeräts oder einer Gleichspannungsversorgung, in Verwendung zu bringen. Die Antireihenkondensatoren werden verwendet, um eine Gleichspannungsversorgung für allgemeine Nutzzwecke bereitzustellen. Alternativ kann eine separate Gleichvorspannungsquelle verwendet werden, um die Kondensatoren in Durchlaßrichtung vorzuspannen.
28 stellt eine Schaltung 2800 dar. Die Schaltung 2800 ist aus dreiphasigen Isolationstransformatoren 2802, 2814, polarisierten Kondensatoren 2804, 2806, 2808, einer Gleichspannungsquelle 2810 und einem Widerstand 2811 zusammengefügt. Die polarisierten Kondensatoren 2804, 2806, 2808 liegen in einer Antireihenkonfiguration analog zu den einphasigen Schaltungen der 25, 27. Die geeignete Durchlaßvorspannung wird über die Kondensatoren 2804, 2806, 2808 durch die Gleichspannungs-Übergangsknoten angelegt, die Induktoren 2802, 2814 beinhalten. Die Gleichvorspannungsquelle besteht aus einer elektrisch isolierten Gleichspannungsquelle 2810 und einem Reihenwiderstand 2811. Die Gleichvorspannungsquelle ist mit dem Kondensator 2808 direkt parallel geschaltet und liegt mit den Kondensatoren 2804, 2806 im Wesentlichen in Gleichspannungsparallelschaltung. Der Induktor (Transformatorwicklungen) auf der Primärseite von 2802 legt die positive Bezugsgleichvorspannung an die positiven Seiten der Kondensatoren 2804, 2806 an. Ebenso verbindet die Transformatorwicklung 2814A (die Nicht-Primärseite) die negativen Kondensatorpole mit dem negativen Pol der Gleichvorspannungsquelle. Redundante Gleichvorspannungsquellen können verwendet werden, um die Konstruktionsunempfindlichkeit zu erhöhen. Diese Zeichnung lehrt eine Gleichspannungs-Parallelschaltungsanordnung unter Verwendung eines einzelnen polarisierten Kondensators in jedem spannungsführenden Zweig eines mehrphasigen Wechselspannungssystems. Wie gezeigt, ist dieses System kompatibel mit einer, erfordert jedoch keine Einpunkterdung für den Betrieb. Eine ähnliche Verdrahtungsanordnung könnte in einer Motorgeneratorkombination verwendet werden. Diese Schaltung lehrt ferner eine mehrphasige Antireihen-Wechselspannungskonfiguration und ein Verfahren für eine kontinuierliche Gleichvorspannung in Durchlaßrichtung.
29 zeigt eine Schaltung 2900, die ein einphasiges Netzwerk mit einphasiger 240:120 VAC ist, die üblicherweise in US-Wohnungen verwendet wird. Die Schaltung 2900 besteht aus einer Wechselspannungsquelle 2902, einem Wechselspannungsquellen-Transformator 2904, polarisierten Kondensatoren 2906, 2908, 2910, einer Gleichspannungsquelle 2913, einem Wechselspannungssperrwiderstand 2911 und Wechselspannungslasten 2912, 2914, 2916, 2918. Die Kondensator-Antireihenanordnung in der Schaltung 2900 besteht aus einem einzelnen polarisierten Kondensator in jedem Zweig. Die Gleichvorspannungsquelle, die aus der Gleichspannungsquelle 2913 und dem Wechselspannungssperrwiderstand 2911 besteht, ist mit dem polarisierten Kondensator 2910 parallel geschaltet und mit den polarisierten Kondensatoren 2906, 2908 durch die Transformatorwicklungen und Wechselspannungslasten im Wesentlichen parallel geschaltet. Man beachte, daß die Wechselspannungslasten 2912, 2914 durch 120 VAC gespeist werden, die Last 2916 durch 120:240 VAC mit drei Drähten und 2918 durch 240 VAC mit zwei Drähten gespeist wird. Diese Schaltung stellt eine alternative Antireihen-Kondensatorkonfiguration zu der in 16 gezeigten dar. Man beachte, daß die Quellen-Transformatorsekundärwicklung oder der neutrale Knoten, der mit dem positiven Pol des Kondensators 2908 verbunden ist, und die Lasten 2912, 2914, 2916 geerdet sein können. Man beachte, daß in dieser Konfiguration beide Seiten nicht gleichzeitig geerdet sein können. Die Erdungsschleife würde die Gleichvorspannung kurzschließen. Man beachte, daß Wechselspannungsschaltungselemente die polarisierten Kondensatoren in dieser Antireihen-PECS-Vorrichtungskonfiguration trennen und als stationäre Gleichspannungskurzschlüsse wirken. Dies lehrt ein weiteres Beispiel eines Gleichspannungs-Übergangsknotens, der Wechselspannungsschaltungselemente innerhalb der Gleichspannungskondensatorkopplung beinhaltet.
30 zeigt eine Schaltung 3000, eine einphasige Wechselspannungsschaltung unter Verwendung einer einzelnen Diode, um die Gleichvorspannung herzustellen und aufrechtzuerhalten, die über ein Antireihen-Kondensatorpaar angelegt wird. Die Schaltung 3000 besteht aus einer Wechselspannungsquelle 3001, einem Quellentransformator 3003, einem Antireihen-Kondensatorpaar 3013, 3015, einer Wechselspannungslast 3020 und einer Gleichvorspannungsschaltung mit einem polarisierten Kondensator 3005, einem Gleichrichter 3007 und Widerständen 3009, 3011. Der Gleichrichter 3007 und die Widerstände 3009, 3011 laden die Kondensatoren 3005, 3013, 3015 auf und sperren im Wesentlichen den Wechselstrom im stationären Zustand. Die Details der Verbindung zwischen dem Widerstand 3011 und der Wechselspannungslast 3020 sind der Einfachheit halber weggelassen. Die Gleichspannungsversorgung ist für einen kontinuierlichen Betrieb geeignet, sieht jedoch keine Vollwellengleichrichtung vor. Die kleinen stationären Gleichspannungsanforderungen der polarisierten Kondensatoren machen dies zu einer sehr nützlichen und wirtschaftlichen Konstruktion. Die Primärseite des Wechselspannungsquellen-Transformators 3003 und die Wechselspannungsquelle 3001 sehen natürlich keine Gleichspannung von der Sekundärseite. Die reflektierten Oberwellen aufgrund der Halbwellengleichrichtung verursachen eine geringe Wechselspannungsschwierigkeit aufgrund der winzigen stationären Vorspannungslast relativ zur Wechselspannungslast. 30 lehrt eine einfache Schaltungsimplementierung, die für einen kontinuierlichen Betrieb geeignet ist.
Konstruktionserwägungen
Eine primäre Konstruktionserwägung ist die Auswahl der Technologie und Konfiguration von polarisierten elektrischen Ladungsspeicher- (PECS) Vorrichtungen. Die Gleichspannungsbereichseinschränkungen müssen im einzelnen betrachtet werden. Industrielle elektrochemische Nickel-Cadmium (Nicad) Batterien weisen beispielsweise eine Nennspannung von 1,2 Volt pro Zelle auf. Die Zellen können mit Ausgleichslade- und Endentladespannungen von 1,7 bzw. 1,0 Volt pro Zelle arbeiten. Der Sollspannungsbereich wäre typischerweise 1,05–1,5 Volt pro Zelle. Die Anzahl von ausgewählten Batteriezellen wäre dann mit der Komponenten- und/oder Systemwechselspannung und/oder Resonanzwechselspannung konsistent, wie geeignet. Der Welligkeitswechselstrom, der von den Batteriezellen zugelassen wird, würde verwendet werden, um die Anzahl von parallelen Batteriezellen und/oder -ketten, die für die Wechselspannungsanwendung erforderlich ist, zu bestimmen. Eine geregelte Batterieladevorrichtung würde dann ausgewählt werden, um die elektrochemische Batterie geeignet in einem geladenen Zustand zu halten. Jede polarisierte elektrische Ladungsspeichervorrichtung oder Kombination von Vorrichtungen würde analoge Gleichspannungssystemkonstruktionsschritte erfordern, die Handelsleuten vertraut sind. Eine ausführlichere Beschreibung der Konstruktionsschritte für Aluminium-Elektrolytkondensatoren wird hierin bereitgestellt.
Die Wellenformübertragungsgenauigkeit ist wichtig und wird beachtlich verstärkt, indem innerhalb des Wechselspannungs-Kleinsignalbereichs geblieben wird. Die vorliegende Erfindung ist dazu ausgelegt, in einem beliebigen willkürlichen Grad innerhalb dieses Bereichs zu bleiben.
Der typische begrenzende Konstruktionsparameter der vorliegenden Erfindung in Schaltungsanwendungen ist der zulässige Welligkeitswechselstrom. Sowohl der stationäre Strom als auch der vorübergehende Laststrom sollten betrachtet werden. Der Welligkeitsstrom kann für die meisten Zwecke als zulässiger Verschiebungsstrom in der vorliegenden Erfindung betrachtet werden. Kondensatornenndaten der Computerklasse basieren auf 120 Hertz. Der Frequenzgang, der Welligkeitsstrom, der Überlastungsfaktor für einen typischen Kondensator der Computerklasse, der mit 60 [Hz] arbeitet, ist 0,8. Die vorliegende Erfindung stellt reichlich übrige Kapazität bereit. Folglich ist es möglich, den Wechselstrom durch einen gegebenen Kondensator auf einen beliebigen willkürlichen Wert zu verringern. Dies wird durch das einfache Hilfsmittel des Erhöhens der Anzahl von parallelen polaren Kondensatoranordnungen bewerkstelligt. Die parallelen Kondensatoren senken die Wechselspannungsimpedanz weiter und können als Lastspannungsregelungsmechanismus verwendet werden, wenn sie in Echtzeit eingestellt werden.
Ein zu betrachtender Schaltungskonstruktionsparameter ist die Wechselstrom-Führungskapazität. Die vorübergehenden Anforderungen der Anwendung sollten als Schlüssel für eine erfolgreiche Anwendung der vorliegenden Erfindung betrachtet werden. Transformator-Einschaltstoßströme und Motorstartströme sind eine Haupterwägung bei der Größenauswahl von vorgespannten polaren Kondensatoren bei der vorliegenden Erfindung. Eine sekundäre und zugehörige Erwägung ist die Reihenimpedanz der Kondensatorbank. Die Wärmeerzeugung aufgrund von I²R-Verlusten ist für die Kondensatorlebensdauer von größter Wichtigkeit. Ein übermäßiger Wärmestau zerstört die polarisierten Kondensatoren und/oder andere PECS-Vorrichtungen. Man muß typischerweise die Kapazität der Vorrichtung als Bemessungsparameter nicht betrachten.
Viele Anwendungen sind dreiphasige oder einphasige 3-Draht-Systeme. Folglich kann sich ein gewisser Mangel an Klarheit hinsichtlich der geeigneten Konstruktionsschritte ergeben. Ein einzelner Kondensator pro Zweig wäre relativ klar, aber für ein Antireihenpaar oder eine Antireihenkonfiguration in jedem Zweig wären verschiedene Spannungen zwischen Vorrichtungen und innerhalb Vorrichtungen vorhanden. Im Schema mit 120:208 VAC würde ein Fehler von Zweig zu Zweig (LL) zwischen Vorrichtungen 104 [VAC] aufgrund der Reihenkombination der zwei Zweige sehen. Andererseits könnte ein Fehler innerhalb einer Vorrichtung 208 VAC] sehen. Ein Fehler vom Zweig zum Neutralleiter würde 120 [VAC] über der vorliegenden Erfindung sehen. Anwendungsspezifitäten, elektrische und Auslösecodes bestimmen, ob die Konstruktionsparameter des schlimmsten Falls angewendet werden sollten. Im Resonanzfall wäre die Spannungsanforderung für den Fehler innerhalb der Vorrichtung ungefähr 312 [VAC_RMS], was 442 Volt Spitze-zu-Null entspricht. Dies würde eine minimale Gleichvorspannung von 221 [VDC] und eine Kondensatornennspannung oberhalb 442 [VDC] erfordern, wobei der Kondensatorkomponentenfehler und die Wechselspannungssystemänderung vernachlässigt werden.
Man beachte, daß der Schaltungsfehlerschutz und der Spannungsstoßschutz für alle Anwendungen wichtige Konstruktionsparameter sind. Grundlegende Erwägungen umfassen auch erhältliche symmetrische und asymmetrische Netzwerk-Fehlerströme. Eine geeignete Anlage sollte vorgesehen werden, um das Löschen von stromabwärts liegenden Fehlern ohne unnötigen Schaden an der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen. Sicherungen, Schaltungsunterbrecher, umschaltende Erdungsfehler-Schaltungsunterbrecher, Strombegrenzungsvorrichtungen und Halbleitervorrichtungen werden für diese Aufgabe betrachtet. Die Anwendungsspezifität bestimmt eine geeignete Kombination von Schutzelementen. MOVs und andere Überspannungsableiter können mit dem Neutralleiter und der Erdung parallel geschaltet werden, um Spannungsstöße und -spitzen zu verringern. Ebenso können sie mit der vorliegenden Erfindung parallel geschaltet werden. Dies verringert ebenso eine Beschädigung an Vorrichtungskomponenten unter Hochspannungsbedingungen.
Zweikanal-Schaltungsparameter-Analyseverfahren gelten und die meisten Zweikanal-Verbindungen werden zugelassen. Diese Werkzeuge gelten für die vorliegende Erfindung wie bei irgendeiner anderen Wechselspannungskondensator-Implementierung, wenn die Wechselspannungsanschlüsse der vorliegenden Erfindung als Black Box behandelt werden. Es wird angemerkt, daß ein Satz von Konstruktionsnäherungs-Gegenerklärungen typischerweise bei der Verwendung solcher Verfahren artikuliert werden. Diese umfassen innerhalb der Konstruktionsnäherungen eine Näherung erster Ordnung, ein einfaches Modell und dergleichen.
Einschaltstoß-, Start und Fehlerströme weisen äußerst niedrige, nacheilende Leistungsfaktoren in der Größenordnung von fünfzig Prozent (0,5, Nacheilung) auf. In einigen Fällen kann die Größe dieser Ströme durch die Anwesenheit einer Reihenkapazität verringert werden. Der maximale Strom ist eine wichtige Konstruktionserwägung bei der Schaltungsanalyse und Leiterauswahl. Die Dauer von Motorstart-, Rotorsperr-Einschaltstoßströmen, vollen Lastströmen und Fehlerströmen sollte ebenso bei der Netzwerkanalyse und Reihenkondensatorbemessung betrachtet werden. Die vorliegende Erfindung ist für die Fehleranalyse unter Verwendung des Sequenzverfahrens oder anderer Standard-Fehlerberechnungen geeignet.
Die vorliegende Erfindung ist zur Verwendung in Parallelschaltung mit Wechselspannungslasten und/oder -quellen geeignet. Die Wechselspannungsschaltung weist ein Resonanzstromphänomen ähnlich jenem auf, das mit Bezug auf die Spannung in Reihenanwendungen detailliert ausgeführt ist. Parallelkondensatoren sind durch Zyklussteuerungen in Wechselspannungs-Netzwerkanwendungen typischerweise strombegrenzt oder zeitbegrenzt. Die von der vorliegenden Erfindung bereitgestellte hohe Kapazität sieht eine Verbesserung für die verfügbaren Weltversorgungsunternehmen in Parallelkonfigurationen sowie in Reihenanwendungen vor. PECS-Vorrichtungs-Konstruktionserwägungen in Parallelkonfigurationen umfassen Wechselströme von bis zu 150% des von der Wechselspannungsquelle gelieferten Stroms. Die niedrige Wechselspannungsimpedanz der vorliegenden Erfindung kann einen virtuellen Kurzschluß erzeugen, wenn Strombegrenzungsverfahren ignoriert werden. Eine Strombegrenzungslast wie z.B. ein Widerstand kann mit der Antireihen-PECS-Vorrichtungskonfiguration in parallelen Wechselspannungsanwendungen in Reihe geschaltet werden. Wenn der Widerstand nützliche Arbeit leistet, geht die Energie nicht verloren.
Die Resonanz ist für Handelsleute gut definiert und verstanden. Die zwei grundlegendsten Erscheinungen dieses Phänomens sind die Reihen- und Parallelresonanz. Die Schaltungsresonanz ist manchmal das Ziel einer Konstruktion. Bei anderen Gelegenheiten ist die Resonanz ungeplant und destruktiv. Schaltungen mit einem Resonanzphänomen zeigen Ströme und/oder Spannungen, die weit oberhalb jener liegen, die beim Nicht-Resonanz-Betrieb zu sehen sind. Es ist typisch, die Schaltungsstromkapazität und/oder die Spannungsnennwerte um mehr als fünfzig Prozent zu erhöhen, wenn Resonanzbedingungen erwartet werden. Die Konstruktion von Resonanzsystemen sollte zusätzliche Wärmeableitungsmaßnahmen aufgrund der Bedingungen einer hohen Spannung und/oder eines hohen Stroms umfassen.
Der Verlustwinkel (Delta) und die gemessene Wärmeerzeugung werden in solchen Fällen zu wichtigen Konstruktionskriterien. In einigen Anwendungen kann eine Schaltung so abgestimmt werden, daß sie nur während niedrigen Systemspannungsbedingungen in Resonanz tritt. Dies ermöglicht, daß der Spannungsanstieg, der mit der Reihenresonanz verbunden ist, die niedrige Spannungssystembedingung kompensiert. Eine analoge Konstruktion könnte für die Stromaufrechterhaltung bei einer parallelen oder Hybridresonanzkonstruktion verwendet werden.
Vorübergehende Netzwerkspannungsstöße und -spitzen sollten auch bei der vorliegenden Erfindung betrachtet werden. Solche Anstiege der Spannung aufgrund von Überspannung, Umschaltoperationen und ähnlichen Ereignissen haben eine große Auswirkung auf die ganze Anlage. Induktoren, MOVs, Lawinendioden und andere Überspannungsableiter können einen gewissen Nutzen beim Schützen von Schaltungen der vorliegenden Erfindung und einer anderen verbundenen Anlage vor einer Beschädigung haben. Die vorliegende Erfindung stellt einen gewissen vorübergehenden Schutz für verbundene Lasten durch die kapazitive Gegenwirkung gegen eine momentane Spannungsänderung bereit. Wenn die Übertragungszeitkonstante länger ist als jene des MOV zur Erdung, kann die Last verschont werden. Standard-Konstruktionseinschränkungen hinsichtlich der Strombegrenzung und des Schaltungsschutzes sollten auch verwendet werden. Man nehme beispielsweise den Fall einer Sinuswellenform. Die Spitze-Null-Spannungsamplitude ist um einen Faktor von Wurzel Zwei größer als der RMS-Wert. Für eine Quelle mit 120 [VAC] ist folglich der tatsächliche Spitze-Null-Spannungswert 169,71 Volt. In dem dreiphasigen Fall von (120:208) [VAC] ist die letztere Zahl die Leitungs-Leitungs-RMS-Spannung und unterscheidet sich von der Leitungs-Neutralleiter-Spannung um einen Faktor von Wurzel 3. Die äquivalente Leitungs-Leitungs-Spitze-Null-Spannung ist folglich 293,94 [VAC].
Die nützlichsten elektrischen Wechselspannungslasten weisen nacheilende Leistungsfaktoren auf. Die vorliegende Erfindung kann eine Vorrichtung mit stabilem voreilenden Leistungsfaktor zum öffentlichen Versorgungsunternehmen hinzufügen. Wenn sie mit Widerstandslasten und/oder mit Lasten mit nacheilendem Leistungsfaktor in Reihe geschaltet ist, kann ein Einheits- oder voreilender Leistungsfaktor realisiert werden, wie von der Wechselspannungsquelle gesehen. Die kapazitive Schaltung und/oder induktive Elemente können in das und aus dem Netzwerk geschaltet werden, wie erforderlich. Bänke von Antireihenkondensatoren können separat gesteuert werden, und wenn sie in die oder aus der Schaltung geschaltet werden, werden die gesamten Schaltungsparameter geändert. Das Nettoergebnis ist ein erhöhter Wirkungsgrad, eine erhöhte Steuerung und erhöhte Stabilität der Leistungsübertragung. Außerdem können die Signalübertragungsgenauigkeit und die Energiespeicherung nach Bedarf erhöht werden. Diese sind wertvolle Zusätze für die öffentlichen Versorgungsunternehmen.
Einschaltstoßströme erzeugen signifikante Probleme bei der elektrischen Gitterspannungsregelung. Reihenkondensatoren haben die Fähigkeit, den Leistungsfaktor der Einschaltstoßströme zu verbessern. Der verbesserte momentane Leistungsfaktor verringert die momentanen Stromamplitudenanforderungen an der verbundenen Quelle oder am elektrischen Versorgungsunternehmen. Von der Wechselspannungsimpedanz eines polarisierten Kondensators wird beobachtet, daß sie mit dem geleiteten Strom zunimmt, ein weiteres Strombegrenzungsmerkmal der vorliegenden Erfindung. Verringerte momentane Stromanforderungen verringern den momentanen Leistungsübertragungs- und Verteilungsverlust. Die verringerten Übertragungs- und Verteilungsverluste verringern den Bedarf für die Quelle oder das verbundene Versorgungsunternehmen. Folglich sehen wir, daß verringerte Einschaltstoß- und Startanforderungen die momentane Reserveleistungskapazität und -stabilität des Netzwerks erhöhen. Andere Strombegrenzungsverfahren werden hierin offenbart und/oder auf diese wird hierin angespielt und sie werden beansprucht.
Die stationäre Spannungsregelung ist eine ähnliche Anwendung der vorliegenden Erfindung. Eine Reihenbank von Kondensatoren kann unterteilt werden. Wenn die Wechselspannungslast zunimmt, können zusätzliche Kondensatoren über einen statischen Schalter, einen elektromechanischen Kontaktgeber oder andere Mechanismen auf die Leitung gebracht werden. Durch dieses Verfahren wird der Reihenwiderstand der Kondensatorbank verringert. Ebenso kann in einer Resonanzanwendung die Addition oder Subtraktion von Kapazität einen tiefgründigen Einfluß auf die Netzwerk-Wechselspannung aufweisen. Folglich kann die Wechselspannungsregelung eine der Verwendungen der vorliegenden Erfindung sein. In einigen Fällen haben zwei Wechselspannungssysteme verschiedene Gleichvorspannungsbedingungen. Wenn sie einen gemeinsamen Betrag haben und phasensynchronisiert sind, kann die vorliegende Erfindung verwendet werden, um sie miteinander zu koppeln. Die vorliegende Erfindung kann ein alternatives Isolations-Wechselspannungskopplungsverfahren bereitstellen. Es wird erwartet, daß sich viele Anwendungen aus diesem Hilfsmittel ergeben.
Die vorliegende Vorrichtung kann in einem einphasigen Spaltphasenmotor mit kontinuierlicher Nutzleistung und/oder einem kapazitiven Wechselspannungsinduktionsmotor verwendet werden. Folglich können beide Wicklungen kontinuierlich verwendet werden, wenn sie für eine solche Nutzleistung gewickelt sind. Diese Vektorstrommanipulation definiert die Drehrichtung des einphasigen Motors. Ferner dient sie zum Beseitigen der Schwingung mit 120 Hertz (Brummen), die in einphasigen Motoren vorhanden ist. Diese Implementierung ermöglicht die Beseitigung der Trennschaltung. Alternativ kann die Spaltphasenmotorkonstruktion umgekehrt werden, wobei die nacheilende Wicklung nach dem Start vom Betrieb entfernt wird. Die intelligente Anwendung von genau geregelten Vektorströmen kann verwendet werden, um die Synthese der dreiphasigen Elektrizität von einer einphasigen Quelle wirtschaftlich zu verbessern.
Praktische Ausführungen der vorliegenden Erfindung können Ableitwiderstände oder dergleichen parallel zu den polarisierten Kondensatoren erfordern. Dies stellt eine erhöhte Personalsicherheit während Wartungsvorgängen bereit. Ableitwiderstände können Vollzeitvorrichtungen sein oder können alternativ in die Schaltung geschaltet werden, wenn die Einheitsleistungsversorgung abgetrennt oder demontiert wurde. Viele elektrischen Spezifikationen erfordern explizit Ableitwiderstände. Obwohl eine gewisse Empfindlichkeit, Wirkungsgrad und Stabilität mit dem Hinzufügen von Ableitwiderständen verloren gehen, werfen sie kein signifikantes Leistungsproblem bei der vorliegenden Erfindung auf. Solche Widerstände dienen dem zusätzlichen Zweck der Verringerung der Wechselspannungs- und Gleichspannungsänderung, die an die Kondensatoren aufgrund der Kondensatorkomponententoleranz und/oder des Komponentenfehlers angelegt werden. Es wird angemerkt, daß die Kapazität, Impedanz, die Kriechströme und dergleichen mit der Temperatur, dem Alter und anderen Betriebsbedingungen variieren. Solche Faktoren werden bedeutend, wenn mehrere Reihen- und/oder Antireihenanordnungen verwendet werden.
Wenn Reihenresonanzbedingungen angetroffen werden, ist es erwünscht, die Kondensatorspannungsnennwerte und die Gleichvorspannungsamplituden zu erhöhen. Vorübergehende Resonanzbedingungen in Wechselspannungsnetzwerken können eine gesteuerte (geregelte) Gleichvorspannungsversorgung in Anwendungen erfordern, die ansonsten durch ungesteuerte Versorgungen bedient werden. Ein wahlweises, nicht gesteuertes potentialfreies Gleichvorspannungsschema, das trotzdem ein geeignetes Potential für verschiedene Betriebsarten bereitstellt, wird erörtert und hierin beansprucht. Der Reihenlastwiderstand und die internen Kondensatorwiderstände dämpfen typischerweise einige Resonanzphänomene. Kondensatorspezifikationen unter Wechselspannungsnetzwerkbedingungen erfordern typischerweise keine solchen hohen Spannungsnennwerte. Dies kann mit dem Aufkommen der weitverbreiteten Verwendung von polarisierten Kondensatoren in Wechselspannungsnetzwerken zu einer vorherrschenderen Konstruktionsanforderung werden.
Überdies weisen Induktionsgeneratoren ein signifikantes Problem beim Speisen von Induktionsmotoren auf. Es besteht ein beträchtliches Defizit der Magnetisierung von VARs. Die vorliegende Erfindung stellt eine Fülle von kapazitiver Reaktanz bereit und verbessert folglich solche Anwendungen beträchtlich. Indem Induktionsgeneratoren beträchtlich weniger teuer sind als Synchrongeneratoren, wird erwartet, daß sich ein großer wirtschaftlicher Vorteil ergibt.
Sowohl Resonanz- als auch Nicht-Resonanz-Anwendungen können betrachtet werden (für irgendeine Frequenz unterhalb der Eigenresonanzfrequenz der polarisierten Ladungsspeichervorrichtung) und können berechnet und/oder gemessen werden. Ebenso können andere willkürliche Wellenformanwendungen für die Berechnung und/oder Messung ausgewählt werden. Im folgenden Beispiel wird eine Anwendung, die Elektrolytkondensatoren der Computerklasse mit großem Aluminiumgehäuse in einem nicht-resonanten sinusförmigen Fall mit sechzig 60 [Hz] verwendet, betrachtet. In diesem Beispiel sollen einfache Berechnungen erster Ordnung durchgeführt werden.
Man betrachte eine einfache Verteilungslastanwendung, wobei der maximale stationäre Strom 10 [A] ist und der maximale vorübergehende Zustand 90 [A] ist. Die Dauer des vorübergehenden Zustandes wird als thermisch signifikant angenommen. Die Systemspannung ist 120 [VAC_RMS] plus oder minus 10%. Die ausgewählte Umgebungsbetriebstemperatur ist 45 [°C]. Ein in Durchlaßrichtung vorgespanntes polarisiertes Antireihen-Kondensatorpaar der vorliegenden Erfindung wird mit einer einzelnen Quelle und Last in Reihe geschaltet. (Das Antireihenpaar wird in der spannungsführenden Zuleitung angeordnet.) Die Kapazität wird als +/–20% von nominal angenommen. Ein Konstruktionsfaktor von 10% wird angewendet. Die einfachen Berechnungen erster Ordnung sollen Bewegungsluftbedingungen ohne Wärmeableiter oder eine andere thermische Kondensatorkonstruktions- oder thermische Anwendungsverbesserung annehmen. Temperatur- und Frequenzkorrekturen und Kondensatorherstellungstoleranzen werden in diesem Beispiel ignoriert. Ebenso werden Spannungstoleranzen für verringerte Signalverzerrung und Lebensdauerverlängerung vernachlässigt.
Es soll gelten:

Vrms: = Quadratischer Mittelwert der Wechselspannung
Vpp: = Amplitude der Wechselspannungswelle, Spitze zu Spitze
Vpo: = Amplitude der Wechselspannungswelle, Spitze zu Null
Vhalf: = Wechselspannung über einem einzelnen Kondensator eines Antireihenpaars
Vsurge: = maximale Stoß-Nenngleichspannung des Kondensators
WVDC: = Nenngleichspannung des Kondensators
Vbias: = Kondensator-Gleichvorspannung
Dfac: = 10% Konstruktionsfaktor
Cfac: = 20% Kapazitätsänderung

Man beachte daß: Vpp = 2Vpo = 2Vhalf = 2Vrms (Wurzel Zwei)
Es wird beobachtet, daß die momentane Überlagerung von Vbias plus Vhalf unter der WVDC bleiben muß. Es wird auch angemerkt, daß die Amplitude von Vbias gleich Vhalf sein oder diese überschreiten muß, um eine kontinuierliche positive Gleichvorspannungsbedingung über dem polarisierten Kondensator aufrechtzuerhalten. Ferner wird beobachtet, daß die stationäre Wechselspannungsamplitude maximiert wird, wenn die Gleichvorspannung ½ der Amplitude von WVDC ist. Die Stoßwechselspannungsamplitude wird maximiert, wenn die Gleichvorspannung ½ des maximalen Stoßgleichspannungsbereichs des Kondensators ist. Wir beobachten folglich, daß (Vbias + Vhalf) gleich oder größer als (GE), die Amplitude der System-Wechselspannung, sein muß. Die Wechselspannungsteilung wird durch die Änderung der tatsächlichen Kapazität der Kondensatoren beeinflußt. Mit einer Toleranz von 20% für die Kapazitätsänderung und für die 10% Systemspannungsamplitudenänderung haben wir daher: (Vpp) × Dfac × Cfac = (169,71 × 2) × 1,10 × 1,20 = 448,03 Volt.
Auf einer Basis pro Kondensator wird dies zu (Vpo) × Dfac × Cfac = (169,71) × 1,10 × 1,20 = 224,02 Volt.
Die Wechselspannung wird über den zwei Antireihenflügeln der vorliegenden Erfindung geteilt. Folglich können wir eine Vorrichtungsauswahl erster Ordnung aus dieser Information treffen.
Ein neuerer Cornell Dubilier Katalog listet das Modell Nummer DCMC123T450FG2D auf. Dieser Kondensator ist mit einem Kapazitätsnennwert von 12000 MikroFarad, einem ESR von 13,3 MilliOhm und einem maximalen Welligkeitsnennwechselstrom von 24,0 Ampere aufgelistet. Die WVDC und Vsurge sind 450 V Gleichspannung bzw. 500 V Gleichspannung. Für diesen Fall soll Vbias als WVDC/2 oder 225 Volt Gleichspannung ausgewählt werden. Dies entspricht einer Überlagerungsnennspannung von: Vhalf + WVDC/2 = 449,02 Volt.
Das Auswählen von insgesamt acht Kondensatoren (4 pro Seite) sieht einen Stromnennwert von 96 Ampere vor.
Die gesamte Nennkapazität der Vorrichtung ist 12000 × 4/2 = 24000 MikroFarad. Das nominale ESR ist 6,65 MilliOhm, die Kondensatorimpedanz liegt in der Größenordnung von 12 MilliOhm und der Betrag der Lastimpedanz ist 1,33 Ohm und 12,0 Ohm für die vorübergehende bzw. die stationäre Bedingung. Der stationäre Wechselspannungsabfall über der Kondensatoranordnung liegt in der Größenordnung von 0,12 Volt und der Abfall über jedem kapazitiven Flügel ist 1,1 Volt unter der stärkeren vorübergehenden Bedingung. In diesem Beispiel sehen wir, daß abgesehen von den Resonanz- und Fehlerbedingungen der Kondensatorspannungsnennwert viel höher als erforderlich ist. Die Vorteile für das Betrachten von niedrigeren Kondensatorspannungsnennwerten sind Größe, Gewicht, Kapazität und Kosten. Die Nachteile sind Vorrichtungszerstörung bei Fehler- oder Resonanzbedingungen. Wie immer entscheiden normalerweise die Anwendungseinsparungen und die Sicherheitsbelange über das Problem. Diese Vorrichtung könnte unter Verwendung von schnellen Sicherungen, Überspannungsableitern, Ableitwiderständen, Meß- und Polierkondensatoren für eine robustere Konstruktion konstruiert werden.
Techniker sollten einen hohen Grad an Sorgfalt bei der Handhabung von Schaltungen ausüben, die auf die Konstruktionsstandards hierin konstruiert sind. Der am weitesten verbreitete elektrische Industriestandard von "Ausschließen, Auszeichnen" reicht für die Sicherheit nicht aus. Die großen elektrischen Kondensatoren, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, können für viele Tage elektrisch geladen bleiben, wenn nicht geeignete Ableitwiderstände oder dergleichen vorgesehen werden. Die vorliegenden Hochspannungsbedingungen bilden deutlich eine lebensbedrohliche Gefahr. Ein extremer Grad an Vorsicht ist daher für irgend jemanden empfohlen, der die geladenen Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung handhabt. Laien sollten einen Kontakt mit den Schaltungen und Schaltungselementen vermeiden. Ein d'Arsonval-Messer, der mit einem polarisierten Kondensator parallel geschaltet ist, kann beispielsweise die Gleichvorspannung ebenso wie die Wechselspannungsquelle kurzschließen. Dies unterbricht den Prozeß vollständig und kann den Strommesser abbrennen. Es kann auch eine Vorspannung in Sperrichtung des Kondensators mit dem zugehörigen Kurzschließen und dem anschließenden Bruch verursachen. Laien in der Konstruktion dieser Schaltung sollten extreme Sorgfalt beim Hinzufügen von Schaltungselementen ausüben. Eine Spule oder ein kleiner Widerstand, die/der mit einem polarisierten Kondensator parallel geschaltet wird, verdoppelt die Ergebnisse des obigen Messerfehlers. Aus diesem Grund sollte der normale Verlauf darin bestehen, die polarisierte Kondensatoranordnung als Einheit zu verwenden.
Das PECS-Vorrichtungs-Eigenresonanzphänomen kann mit der Erdung mit einem geeigneten RFI-Filter kurzgeschlossen werden oder gedämpft werden, wenn es auftritt.
Der Frequenzgang der PECS-Vorrichtungsschaltungen hierin sieht eine nützliche Zugabe zu verschiedenen Vorrichtungen mit variabler Frequenz vor. Die Verringerung der effektiven Schaltungskapazität mit zunehmender Frequenz kompensiert den Impedanzabfall mit zunehmender Frequenz teilweise. Der Leistungsübertragungswirkungsgrad innerhalb eines Antriebs mit variabler Geschwindigkeit kann beispielsweise verbessert werden, während eine Niederfrequenz-Strombegrenzung bereitgestellt wird. Folglich kann der Antrieb mit einem verbesserten Leistungsfaktor gegenüber einem erweiterten Frequenzbereich arbeiten.
Vollwellengleichrichter können durch Koppeln einer einzelnen PECS-Vorrichtung mit jedem Anschluß einer Wechselspannungsquelle als ob in einer Antireihenkonfiguration konstruiert werden. Der mittlere Knoten wird dann auseinandergebrochen. Eine Gleichrichtungsbrücke und ein Gleichspannungsausgangsabschnitt wird dann mit den freien Enden der PECS-Vorrichtungen dort verbunden, wo der Gleichspannungs-Übergangsknoten gewesen war. Der Gleichspannungsausgang wird dann in potentialfreien Gleichspannungsanwendungen in Gebrauch genommen. Ein spannungsgeteilter Teil des Gleichspannungsausgangs wird für Vorspannungszwecke zu den PECS-Vorrichtungen zurückgeführt. Diese Konstruktion beseitigt den Bedarf für einen Isolationstransformator, um ein Batterieladegerät oder eine Gleichspannungsversorgung zu speisen. Außerdem wird der Leistungsfaktor des Gleichrichters relativ zum nacheilenden Leistungsfaktor einer durch einen Isolationstransformator gespeisten Vorrichtung korrigiert. Diese Schaltung kann in einphasigen oder mehrphasigen Anwendungen konstruiert werden. Andere ähnliche Energieumwandlungskonstruktionen werden hierin in Betracht gezogen.
Es existieren Anwendungen, die die Anschlußeigenschaften von diskreten Komponenten ausnutzen. Ein Spannungsteiler ist vorhanden und zweckmäßig ausgelegte Filter können verwendet werden. Hochpaß-, Tiefpaß-, Bandpaß- und Sperrfilter, die mit dem mittleren Knoten verbunden sind, sollten mit äußerster Vorsicht und Personalabschirmung versucht werden. Es wird in Betracht gezogen, daß Schaltungskonstruktionserwägungen, einschließlich magnetischer Sättigung, Resonanz, Bode-Diagrammen, Nyquist-Diagrammen und dergleichen, alle Fachleuten gut bekannt sind.
Entlang dieser Linien gibt es viele Schaltungsausführungen, die zum Herstellen und Aufrechterhalten der zweckmäßigen Kondensator- Gleichvorspannungsbedingung geeignet sind. Die Gleichspannung kann von einem beliebigen geeigneten Schema abgeleitet werden, einschließlich sowohl geregelter oder ungeregelter Quellen. Sorgfalt wird angewendet, um Erdungsschleifen und eine Gleichvorspannung der Wechselspannungsversorgung zu vermeiden; typischerweise durch die Verwendung einer elektrischen Isolation über einen Transformator und ungeerdete Sekundärwicklungen (potentialfreie Gleichspannungsversorgungen). Außerdem können in dem System Batterien verwendet werden, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Batterieversorgungen stellen eine redundante Leistungsversorgung für den Zeitraum ihrer ausgelegten Sicherung bereit. Eine kleine elektrochemische Batterie sieht viele Tage von ausreichender aktiver Gleichvorspannungsversorgung auf der Basis des langsamen Abfalls von Ladung in polarisierten Kondensatoren vor. Die Auswahl einer Batterietechnologie ist anwendungsspezifisch. Faktoren, einschließlich Preis, Umgebungstemperatur, seismischen Bedingungen, Wechselspannungszuverlässigkeit, Belüftung, erwarteter Lebensdauer und dergleichen, geben die Batterieauswahl vor. Die maximale Ladespannung und die Endentladespannung der Batterie oder die Gleichspannungssystemkonstruktion sollten den polarisierten Kondensator außerhalb der Wechselspannungssignal-Begrenzungsbereiche halten.
Die höchsten Gleichvorspannungspegel sind bei Resonanz, Fehler, Motorstart, Transformatoreinschaltstoß, Schaltoperationen, Systemspannungsspitzen und ähnlichen Bedingungen erforderlich. Eine niedrigere Vorspannung kann unter anderen Betriebsbedingungen verwendet werden, um die Kondensatorlebensdauer zu verlängern. Diese Spannungseinstellung kann mit einem geeigneten Rückkopplungssystem automatisch sein. Zusätzliche Schaltungselemente wie z.B. Ableitwiderstände, Lastwiderstände, Oberwellenfilterung, Überspannungsableiter, nicht-polarisierte Polierkondensatoren, Überstromschutz, Erdungsfehlerschutz, Schaltmechanismen, Diagnostik und dergleichen können nach Bedarf für elektrische Sicherheitsbelange und spezielle Anwendungen hinzugefügt werden. Andere Implementierungen können Kontaktgeber, Gleichspannungsvorladung, Weichstartmechanismen und dergleichen umfassen. Änderungen und Anpassungen dieser Art bilden keine signifikante Abweichung vom hierin dargestellten Prozeß.
Es existieren zahlreiche Verfahren zum Implementieren der vorliegenden Erfindung. Die zwei breitesten Gebiete sind die Vorspannungsquelle und die Wechselspannungs/Gleichspannungs-Schnittstelle. Die Breite dieser Gegenstände wird als hierin integriert betrachtet. Bei der Herstellung und bei Implementierungen der vorliegenden Erfindung wird erwartet, daß verschiedene Wirtschaftlichkeitsschemen übernommen werden. Beispielsweise sind diskrete Dioden in den Zeichnungen hierin gezeigt. Verschiedene Diodenkombinationen existieren heute auf dem Markt. Zwei solche üblichen Kombinationen sind der Brückengleichrichter und die übliche Kathodendoppeldiode. Vorrichtungen wie z.B. diese verringern die Anzahl von diskreten Komponenten und folglich die Herstellungskosten. Mehrpolige Kondensatoren sind ein weiteres Verfahren zum Verringern der Anordnungsverbindungsschritte. Die Wheatstone-Brücke ist eine ähnliche Widerstandskombination. Tatsächlich war das Thema der Mikroschaltungskonstruktionswirtschaftlichkeiten die progressive Verringerung der diskreten Komponenten. Solche arbeitssparenden Hilfsmittel sind hierin explizit integriert. Ferner wird festgestellt, daß verschiedene Kondensatorkühlstrategien und Schlaggefahr-Schutzsysteme in Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Solche Wärmeregelungs- und elektrischen Isolationsverfahren und -konstruktionen sind explizit hierin integriert.
In einigen Anwendungen sind ferner explizite Schnittstellen äußerst wirtschaftlich enthalten, während andere Anwendungen von der existierenden externen Schaltungstopologie Gebrauch machen. Alle Vorrichtungskapazitätspegel, in der Stromstärke, der Spannung und/oder im Frequenzbang gemessen, sind in der vorliegenden Erfindung enthalten. Ebenso sind alle geeigneten polarisierten elektrischen Ladungsspeichervorrichtungen hierin erfaßt. Diese Erfindung kann in anderen speziellen Formen verkörpert werden, ohne von deren Gedanken oder wesentlichen Eigenschaften abzuweichen. Es ist wichtig zu beachten, daß in jedem der obigen Ausführungsbeispiele die Komponenten in der Größe maßstäblich vergrößert oder verkleinert werden können. Repräsentative Schaltungskonstruktionen und ein Verfahren zur Herstellung derselben sind umrissen. Die wirtschaftlichste Ausführung variiert gemäß den Anwendungsvariablen, einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf: Systemspannung, stationäre Stromanforderungen, vorübergehende Stromanforderungen, Resonanzwahrscheinlichkeit, Modelleigenschaften des ausgewählten Kondensators, Vorspannungsversorgungsauswahl, Umgebung, Redundanzanforderungen, Erwägungen für externe Fehler, Erwägungen für interne Fehler und dergleichen.
Zusätzliche Aufgaben, Vorteile und neue Merkmale der Erfindung sind hierin dargelegt oder werden für Fachleute nach Untersuchung dieser Offenbarung ersichtlich oder können durch die Ausführung der Erfindung gelernt werden. Die Aufgaben und Vorteile der Erfindung können mittels der Instrumentalitäten und Kombinationen, auf die speziell hingewiesen ist, die hierin impliziert sind und/oder Handelsleuten vertraut sind, verwirklicht und erreicht werden. Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sollen in einer erläuternden und nicht begrenzenden Hinsicht aufgefaßt werden. Verschiedene Änderungen, Modifikationen, Veränderungen und Zusätze können an diesen Ausführungsbeispielen durch Fachleute vorgenommen werden, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, wie hierin definiert, abzuweichen. Alle Änderungen, die in die Bedeutung und den Bereich der Äquivalenz der Ansprüche fallen, und andere Offenbarungen hierin sollen daher darin erfaßt sein. Viele kontinuierlichen und/oder vorübergehenden Verwendungen und/oder Anwendungen von Kondensatoren in Wechselspannungsnetzwerken sind Fachleuten bekannt, einschließlich jedoch nicht begrenzt auf: Resonanz, Kommutierung, Beschaltung, Ferroresonanz, Überspannungsschutz, Kompensation, Energiespeicher, Fehlersteuerung, Spannungsregelung, Strombegrenzung, Steuersignalübertragung und dergleichen. Ferner ist beabsichtigt, daß die Offenbarungen so interpretiert werden, daß sie alle derartigen Anwendungen, Änderungen und Modifikationen, die in die Ansprüche fallen, abdecken.
ANHANG A: GLOSSAR VON BEGRIFFEN
Der Begriff "Antireihe" bezieht sich auf zwei oder mehr PECS-Vorrichtungen, die an ihren Anoden und/oder ihren Kathoden miteinander gekoppelt sind. Das heißt, Antireihen-PECS-Vorrichtungen weisen an ihren Anoden, Kathoden oder sowohl an ihren Kathoden als auch Anoden einen Gleichspannungs-Übergangsknoten auf. Dies soll in seinem breiten Sinn betrachtet werden und soll beispielsweise nicht Verzweigungskonfigurationen von größeren Zahlen von Komponenten, wie z.B. bei mehreren PECS-Vorrichtungsanoden (oder -kathoden), die an einem Gleichspannungs-Übergangsknoten in Stromteilerkonstruktionen im Wesentlichen miteinander verbunden sind, ausschließen. Fünf PECS-Vorrichtungen in einer Sternkonfiguration, wobei ihre Anoden miteinander verbunden sind, wären beispielsweise jeweils in einer Antireihenkonfiguration miteinander. Es wird angemerkt, daß PECS-Vorrichtungen in den verschiedenen Zweigen eines mehrphasigen Wechselspannungssystems auch in einer Antireihenkonfiguration miteinander liegen können. Beim Identifizieren einer PECS-Vorrichtung in einer Antireihenkonfiguration kann irgendeine gegebene Vorrichtung ebenso tatsächlich mehrere parallel konfigurierte Vorrichtungen z.B. zum Erhöhen der Strombelastbarkeit umfassen. Außerdem können mehrere Reihen-PECS-Vorrichtungen in einer Antireihenweise miteinander verbunden sein, um den effektiven Wechselspannungsnennwert zu erhöhen. Ebenso können mehrere Antireihen-PECS-Vorrichtungspaare selbst in einer Reihenweise verbunden sein, um den effektiven Spannungsnennwert zu erhöhen. Schließlich wird angemerkt, daß Wechselspannungssystemkomponenten (wie z.B. Wechselspannungsquellen oder -lasten) tatsächlich zwischen Antireihenvorrichtungen an einem Gleichspannungs-Übergangsknoten verbunden sein können.
Der Begriff "Wechselspannung" und "Wechselspannungsquelle" werden in ihrem breiten Sinn verwendet. Der Begriff Wechselspannung und Wechselspannungsquelle soll umfassen, ist jedoch nicht begrenzt auf eine Wechselspannung mit fester Frequenz, variabler Frequenz, fester Amplitude, variabler Amplitude, eine frequenzmodulierte, eine amplitudenmodulierte und/oder impulsbreitemodulierte Wechselspannung. Andere Signal- und/oder Übertragungsverfahren, einschließlich Seitenband und Überlagerung, sowie andere lineare, nicht-lineare, analoge oder digitale Signale und dergleichen sind ausdrücklich eingeschlossen. Wechselspannungsquellen können Oberwellenkomponenten umfassen. Die Wechselspannung und Wechselspannungsquelle werden betrachtet, um auf zeitlich veränderliche Signale Bezug zu nehmen. Diese Signale können Daten und/oder Leistung enthalten. Hybrid-Wechselspannungsquellen, die in mehreren Verfahren und/oder Betriebsarten variieren, sind ebenso eingeschlossen. Bezugsnahmen auf eine einzelne Wechselspannungsquelle sollen nicht als mehrere Wechselspannungsquellen beseitigend aufgefaßt werden.
Der Begriff "Wechselspannungssperrvorrichtung" soll eine beliebige Vorrichtung, ein beliebiges Verfahren, eine beliebige Konstruktion oder eine beliebige Technik umfassen, die eine relativ große Wechselspannungsimpedanz im Vergleich zu zugehörigen Antireihen-PECS-Vorrichtungen bereitstellt und gleichzeitig dazu ausgelegt sein kann, einen Gleichstromweg zum Vorspannen solcher PECS-Vorrichtungen vorzusehen. Eine Wechselspannungssperrvorrichtung könnte beispielsweise umfassen, ist jedoch nicht begrenzt auf Widerstände, Induktoren, Gleichrichter, elektrische Schalter und dergleichen.
Die Begriffe "kontinuierlich und stationär", wie hierin verwendet, sollen nicht irgendeine Ungeeignetheit für vorübergehende Anwendungen wie z.B. Start und dergleichen angeben.
Die Begriffe "Gleichspannung", "Gleichspannungselektrizität" und "Gleichstrom", können eine beliebige Technologie, Konstruktion, physikalische Bedingung oder Vorrichtung sein, die einen unidirektionalen oder vorwiegend unidirektionalen Fluß, eine Verschiebung, Übertragung und/oder einen Fluß von einem oder mehreren elektrischen Ladungsträgern, einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf Elektronen, Ionen und Löcher, erzeugt, verursacht, dazu beiträgt, unterstützt oder begünstigt. Dies soll nicht als die bidirektionale Bewegung von entgegengesetzt geladenen Teilchen ausschließend aufgefaßt werden. Gleichspannung soll sich breit auf eine stationäre Spannung beziehen, die mit der Zeit im Wesentlichen nicht variiert.
Der Begriff "Gleichspannungsquelle (DC source)", "Gleichspannungsquelle (DC voltage source)" oder "Gleichspannungsquelle (DC power source)" wird in diesem breiten Sinn verwendet. Dieser Begriff deckt im Allgemeinen ein beliebiges Verfahren und eine beliebige Vorrichtung ab, das/die bei der Erzeugung, Herstellung oder Wechselspannungsgleichrichtung zum Erzeugen von Gleichspannungselektrizität verwendet wird oder brauchbar ist. Gleichspannungsversorgungen umfassen ausdrücklich, sind jedoch nicht begrenzt auf Gleichspannungsgeneratoren, elektrochemische Batterien, photovoltaische Vorrichtungen, Gleichrichter, Brennstoffzellen, Gleichspannungsquantenvorrichtungen, gewisse Röhrenvorrichtungen und dergleichen. Sie sollen geregelte, ungeregelte, gefilterte und nicht-gefilterte Arten umfassen. Gleichspannungsquellen sollen ausdrücklich umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf Gleichrichter, die durch nicht-elektrisch isolierte Quellen, Autotransformatoren, Isolationstransformatoren und Ferroresonanz-Transformatoren gespeist werden. Gleichspannungs-Gleichspannungs-Versorgungen, Schalt-Gleichspannungsversorgungen, Impulsladegeräte und dergleichen sind ebenso eingeschlossen. Der Singularbegriff soll nicht so aufgefaßt werden, daß er mehrere und/oder redundante Gleichspannungsquellen in Parallel-, Reihen- und/oder Antireihenkonfigurationen ausschließt. Einphasige und mehrphasige Gleichspannungsquellen und/oder -ladegeräte sind eingeschlossen. Die Fähigkeit, den Gleichvorspannungspegel in Echtzeit einzustellen, ist ebenso eingeschlossen. Die Verwendung von "Diodenhängervorrichtungen" und präzise geregelten potentialfreien Versorgungsgleichspannungen kann Betriebs- und Konstruktionsvorteile bereitstellen, insbesondere wenn elektrochemische Batterien für die Leistungsquellenredundanz enthalten sind oder die verwendete Antireihen-PECS-Vorrichtung ist.
Der Begriff "Gleichvorspannungsquelle" wird im breiten Sinne verwendet. Dieser Begriff deckt im allgemeinen ein beliebiges Verfahren, eine beliebige Konstruktion und/oder eine beliebige Vorrichtung ab und umfaßt diese, welche bei der Erzeugung und Verteilung einer Gleichspannung und eines Gleichstroms für PECS-Vorrichtungen verwendet wird oder brauchbar ist, während der Fluß von Wechselstrom begrenzt, eingeschränkt und/oder gesperrt wird. Der Begriff Gleichvorspannungsquelle kann umfassen, ist jedoch nicht begrenzt auf mindestens eine Gleichspannungsquelle im wesentlichen in Reihe mit mindestens einer Wechselspannungssperrvorrichtung. In der vorliegenden Erfindung sind eine oder mehrere Gleichvorspannungsquellen über PECS-Vorrichtungen für den Zweck der Herstellung und Aufrechterhaltung einer Gleichvorspannung in Durchlaßrichtung über den PECS-Vorrichtungen verbunden. Die Gleichvorspannungsquelle verhindert, daß die Wechselspannungsquelle die verbundene PECS-Vorrichtung in Sperrichtung vorspannt oder übermäßig in Durchlaßrichtung vorspannt. Eine einzelne Gleichspannungsquelle kann dazu ausgelegt sein, als Gleichvorspannungsquelle für zahlreiche PECS-Vorrichtungen mittels geeignet verbundener die Gleichspannung leitender, die Wechselspannung sperrender Vorrichtungen zu dienen. Ebenso können mehrere Gleichspannungsquellen und/oder Gleichvorspannungsquellen dazu ausgelegt sein, redundante Vorspannungsquellen für Antireihen-PECS-Vorrichtungen in einer Wechselspannungsanwendung bereitzustellen.
Der Begriff "Gleichspannungs-Übergangsknoten" entspricht einem Knoten in einer Konfiguration von zwei oder mehr Antireihen-PECS-Vorrichtungen, wobei Vorrichtungsknoten mit gleicher Polarität miteinander gekoppelt sind. Es sollte beachtet werden, daß ein Gleichspannungs-Übergangsknoten eine oder mehrere Wechselspannungsvorrichtungen (wie z.B. einen Induktor) mit einer vernachlässigbaren Gleichspannung über der Wechselspannungsvorrichtung umfassen kann (oder nicht). Das heißt, es besteht im Wesentlichen keine Gleichspannungsdifferenz innerhalb eines Gleichspannungs-Übergangsknotens. Ebenso können eine Gleichvorspannungsschaltung, Meßgeräte, Indikatoren, Alarme und dergleichen mit Gleichspannungs-Übergangsknoten verbunden werden.
Der Begriff "elektrische Isolation" wird in seinem breiten Sinn verwendet. Dieser Begriff umfaßt im allgemeinen, ist jedoch nicht begrenzt auf Isolationstransformatoren, Ferroresonanz-Transformatoren und separat hergestellte, invertierte und/oder erzeugte elektrische Leistungsversorgungen im Fall von Wechselspannung. Eine Gleichspannungsisolation kann unter Verwendung von Kondensatoren durchgeführt werden. Der Begriff elektrische Isolation soll Gleichspannungsversorgungen umfassen, die separat hergestellt, gleichgerichtet oder erzeugt werden. Die elektrische Isolation soll die Fähigkeit übermitteln, keine feste Erdungsreferenz zu haben, eine gemeinsame neutrale, Erdungs-, Bezugsspannung auszuwählen oder alternativ unterschiedliche Neutralleiter, Erdungen oder eine Bezugsspannung auszuwählen. Die Auswahl geschieht zum Zeitpunkt der Verbindung oder Betriebsverbindung und ist nicht notwendigerweise für den Entwurf, die Konstruktion, die Materialien oder die Eigenschaft der Leistungsversorgungen intrinsisch.
Der Begriff "polarisierte elektrische Ladungsspeicher"- ("PECS") Vorrichtung wird im breiten Sinne verwendet. Dieser Begriff deckt im allgemeinen ein beliebiges geeignetes polares elektrisches Ladungsspeicherbauelement oder -vorrichtung ab, das/die umfaßt, jedoch nicht begrenzt ist auf Elektrolytkondensatoren, elektrochemische Batterien, bestimmte elektrische Röhrenvorrichtungen, kapazitive Halbleitervorrichtungen, photovoltaische Vorrichtungen, Brennstoffzellen, Quantenladungsspeichervorrichtungen und dergleichen. Für die Zwecke dieses Dokuments kann eine polarisierte elektrische Ladungsspeichervorrichtung eine beliebige Technologie oder Vorrichtung sein, die eine statische Trennung von Ladung, eine bevorzugte Ladungsspeicherpolarität und eine Fähigkeit, elektrischen Strom zu leiten, zu verlagern und/oder zu übertragen, unterstützt. In vielen Teilen dieses Dokuments werden polarisierte Kondensatoren – sowohl in der Beschreibung als auch durch Darstellung – zum Demonstrieren von verschiedenen Aspekten der vorliegenden Erfindung verwendet. Es sollte jedoch erkannt werden, daß eine beliebige geeignete PECS-Vorrichtung sowohl anstelle oder in Zusammenarbeit mit den dargestellten polarisierten Kondensatoren verwendet werden kann. Das heißt, keine der anderen PECS-Technologien, die angeführt oder beschrieben sind, sollen ausgeschlossen sein.
Der Begriff "Gleichrichter" wird hierin in seinem breiten Sinn verwendet. Irgendein aktives oder passives Bauelement und/oder Vorrichtung, das/die einen unidirektionalen Fluß von elektrischen Ladungsträgern bevorzugt oder dazu konfiguriert ist, diesen zu bevorzugen, soll als Gleichrichter betrachtet werden. Der bidirektionale Fluß von entgegengesetzt geladenen Teilchen ist ausdrücklich innerhalb der Definition eines Gleichrichters enthalten. Ein Gleichrichter umfaßt, ist jedoch nicht begrenzt auf eine oder mehrere Dioden, Transistoren, siliziumgesteuerte Gleichrichter, Grenz-SCRs, Thyristoren, IGBTs, FETs, Spaltringe, bestimmte Röhrenvorrichtungen und dergleichen. Gleichrichtungsschaltungskonfigurationen umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf Halbwellen-, Vollwellen-, Spaltwellen- und mehrphasige Gleichrichter. Gleichrichtungsimpulse können phasenverschoben werden, um entweder Wechselstrom- oder -spannungswellenformen in den ein- oder mehrphasigen Fällen entgegenzuwirken, abzugleichen oder zu versetzen. Dies kann durch die Isolationstransformator-Punktkonvention, Phasenverschiebungs-Wicklungsverfahren, E/A-Nacheilung oder elektronisch bewerkstelligt werden, um einige übliche Verfahren zu nennen.
Der Begriff "ausreichende Durchlaßgleichvorspannung" bezieht sich auf Verfahren, Bauelemente und/oder Vorrichtungen, die hierin umrissen oder impliziert sind, um eine Gleichvorspannung über einer PECS-Vorrichtung aufrechtzuerhalten, um im wesentlichen zu verhindern, daß die Vorrichtung durch ein Wechselspannungssignal schädlich in Sperrichtung vorgespannt wird. Die Gleichvorspannung kann in einem beliebigen willkürlichen Grad im stationären Zustand festgelegt sein. Dies steht zu den Schwingungsvorspannungsschemen des Standes der Technik im Gegensatz, die charakteristisch zwischen einer Durchlaß- und Sperrgleichvorspannung auf einer Teilzyklusbasis variieren und/oder eine Wechselspannungssignalverzerrung aufgrund einer übermäßigen Signalgröße relativ zur Gleichvorspannungsamplitude verursachen. Gleichvorspannungserwägungen umfassen den Betrieb innerhalb der anwendbaren PECS-Vorrichtungs-Durchlaßspannungsbegrenzungen. Ebenso sind Vorspannungsbedingungen eingeschlossen, unter denen die Gleichvorspannungsamplitude jeder PECS-Vorrichtung die Amplitude des angelegten Wechselspannungssignals wesentlich übersteigt.
Die Begriffe "Schalter" und/oder "elektrischer Schalter" beziehen sich auf die Verfahren, Bauelemente und/oder Vorrichtungen, durch die ein elektrischer Strom eingeschaltet oder ausgeschaltet werden kann. Ein Schalter soll mechanische Leiterkontaktkonstruktionen, elektromechanische Vorrichtungen, Halbleitervorrichtungen, Relais, flüssige Kontaktvorrichtungen wie z.B. Quecksilberschalter, Molekularschalter, Ionisationsvorrichtungen, Ventile, Löscher, Gatter, Quantenvorrichtungen und dergleichen umfassen. Außerdem sind Differentialvorrichtungen wie z.B. Rheostate, Potentiometer, die als Dimmer und/oder Durchflußregler dienen können, sowie Ein/Aus-Vorrichtungen und dergleichen eingeschlossen. Ein beliebiger Stoffzustand und/oder eine Änderung im Stoffzustand, der verwendet wird, um den elektrischen Strom, Fluß, Strom oder die elektrische Leitung, Verlagerung und dergleichen zu steuern, wird als im Begriff Schalter eingeschlossen betrachtet. Ebenso sind die Sensoren, Stellglieder, Steuerungen, Relais, Leiterplatten, Chips und dergleichen, die Schaltern verschiedener Technologien zugeordnet sind, eingeschlossen. Ein elektrischer Schalter und Schalter soll, wenn er innerhalb dieses Dokuments verwendet wird, im breiten Sinn aufgefaßt werden. Die hierin umrissenen Vorrichtungen und Verfahren sind erläuternd und nicht begrenzend.
Der Begriff "Gleichspannungssperrvorrichtung" soll ein beliebiges Bauelement, ein beliebiges Verfahren, eine beliebige Konstruktion, eine beliebige Vorrichtung und/oder ein beliebiges Verfahren umfassen, das/die einen relativ großen Gleichspannungswiderstand oder eine Gegenwirkung zum Fluß des Gleichstroms bereitstellt. Eine Gleichspannungssperrvorrichtung könnte beispielsweise umfassen, ist jedoch nicht begrenzt auf polarisierte Kondensatoren, nicht-polarisierte Kondensatoren, elektrochemische Batterien, andere PECS-Vorrichtungen, Widerstände, Gleichrichter und dergleichen. Ebenso dient ein Isolationstransformator insofern als Gleichspannungssperrvorrichtung, als die Gleichspannung nicht magnetisch gekoppelt wird. Es wird angemerkt, daß Gleichrichterbrücken eine höhere Ordnung an Gleichspannungssperre vorsehen als durch einen einzelnen Gleichrichter oder eine Halbwellenbrücke vorgesehen wird.
Der Begriff "Temperaturregelung" soll die Steuerung der PECS-Vorrichtungstemperatur durch natürliche oder künstlich gespeiste Mittel bedeuten, um die Oberflächen- und/oder Kerntemperatur der Vorrichtung zu ändern. Typische Verfahren zur Temperaturregelung umfassen Wasserbäder, Ölbäder, Kühlmittel, Zirkulationssysteme mit Wärmeableitern und die Verwendung von Heizelementen und Wärmetauschern. Wärmepumpen, eine Festkörperkühlung und andere solche Verfahren sind für die Aufrechterhaltung und/oder Änderung der Vorrichtungstemperatur geeignet.
Der Begriff "vorübergehend", wie hierin verwendet, soll keine Ungeeignetheit für stationäre oder kontinuierliche Anwendungen angeben.

Claims

Polarisiertes Ladungsspeicher- ("PECS") Gerät zum Betrieb in einem Wechselspannungsnetzwerk mit einer Wechselspannungsquelle (605; 652; 772; 805; 905; 1005) und mindestens einer Last (620; 670, 790; 940; 1031), die mit der Wechselspannungsquelle zum Empfangen des Wechselspannungssignals gekoppelt ist, wobei das PECS-Gerät umfaßt: – zumindest eine erste und eine zweite PECS-Vorrichtung (612, 614; 622, 664; 778, 782; 812, 814; 912, 914; 1009, 1023) in einer Antireihenkonfiguration miteinander, wobei die Antireihen-PECS-Vorrichtungen so ausgelegt sind, daß sie mit dem Wechselspannungsnetzwerk betriebsfähig verbunden sind und dem Wechselspannungssignal ausgesetzt werden, – mindestens eine Gleichspannungsquelle (616, 618; 663, 665; 774, 786; 818; 926; 1013, 1027), die mit der ersten und der zweiten PECS-Vorrichtung gekoppelt ist; dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Gleichspannungsquelle mit der ersten und der zweiten PECS-Vorrichtung gekoppelt ist, um beide PECS-Vorrichtungen kontinuierlich in Durchlaßrichtung vorgespannt zu halten, während sie dem Wechselspannungssignal ausgesetzt werden.
Gerät nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Gleichspannungsquelle mit der ersten und der zweiten Vorrichtung betriebsfähig gekoppelt ist, so daß das Wechselspannungssignal im Wesentlichen nicht durch die mindestens eine Gleichspannungsquelle geleitet wird.
Gerät nach Anspruch 1, wobei die Antireihen-PECS-Vorrichtungskonfiguration so ausgelegt ist, daß sie mit der Wechselspannungslast im Wesentlichen parallel geschaltet ist.
Gerät nach Anspruch 1, wobei die Antireihen-PECS-Vorrichtungskonfiguration so ausgelegt ist, daß sie zwischen der Wechselspannungsquelle und der Wechselspannungslast im Wesentlichen in Reihe geschaltet ist.
Gerät nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Ausgangsanschluß der mindestens einen Gleichspannungsquelle so ausgelegt ist, daß er von der mindestens einen Wechselspannungsquelle elektrisch isoliert ist.
Gerät nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Gleichspannungsquelle ungeerdet ist.
Gerät nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Ausgangsanschluß der mindestens einen Gleichspannungsquelle so ausgelegt ist, daß er mit einer Wechselspannungssystemerdung betriebsfähig verbunden ist.
Gerät nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite PECS-Vorrichtung relativ zueinander symmetrisch mit Gleichspannung vorgespannt sind.
Gerät nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite PECS-Vorrichtung an einem Gleichspannungs-Übergangsknoten miteinander verbunden sind, wobei das Gerät ferner mindestens eine Wechselspannungs-Sperrvorrichtung (932, 1017) umfaßt, die zwischen den Gleichspannungs-Übergangsknoten und einen Gleichspannungs-Bezugsknoten geschaltet ist.
Gerät nach Anspruch 9, wobei die mindestens eine Wechselspannungs-Sperrvorrichtung einen Widerstand umfaßt, der im Vergleich zur ersten und zur zweiten PECS-Vorrichtung eine ausreichend hohe Impedanz aufweist, um das Wechselspannungssignal zu sperren, so daß es im Wesentlichen durch die PECS-Vorrichtungen läuft.
Gerät nach Anspruch 9, wobei der Gleichspannungs-Übergangsknoten mindestens eine Wechselspannungsvorrichtung zwischen der ersten und der zweiten PECS-Vorrichtung beinhaltet.
Gerät nach Anspruch 9, welches ferner eine Wechselspannungs-Sperrvorrichtung zwischen dem Gleichspannungs-Übergangsknoten und einem anderen Knoten von der ersten und der zweiten PECS-Vorrichtung umfaßt.
Gerät nach Anspruch 9, wobei die mindestens eine Gleichspannungsquelle eine erste und eine zweite Gleichspannungsquelle zum separaten Vorspannen der ersten und der zweiten PECS-Vorrichtung umfaßt.
Gerät nach Anspruch 13, wobei die erste Gleichspannungsquelle im Wesentlichen parallel über der ersten PECS-Vorrichtung liegt.
Gerät nach Anspruch 14, welches ferner eine Wechselspannungs-Sperrvorrichtung umfaßt, die betriebsfähig zwischen die erste Gleichspannungsquelle und die erste PECS-Vorrichtung geschaltet ist.
Gerät nach Anspruch 15, wobei die zweite Gleichspannungsquelle im Wesentlichen parallel über der zweiten PECS-Vorrichtung liegt.
Gerät nach Anspruch 16, wobei die zweite Gleichspannungsquelle über mindestens eine Wechselspannungs-Sperrvorrichtung im Wesentlichen parallel über zumindest die zweite PECS-Vorrichtung geschaltet ist.
Gerät nach Anspruch 17, wobei mindestens ein Anschluß der ersten Gleichspannungsquelle und mindestens ein Ausgangsanschluß der zweiten Gleichspannungsquelle ungeerdet sind.
Gerät nach Anspruch 17, wobei mindestens ein Anschluß der ersten Gleichspannungsquelle und mindestens ein Ausgangsanschluß der zweiten Gleichspannungsquelle bezüglich der Wechselspannungsquelle elektrisch isoliert sind.
Gerät nach Anspruch 9, wobei die mindestens eine Gleichspannungsquelle eine erste Gleichspannungsquelle mit einem ersten und einem zweiten Ausgangsanschluß zum Liefern eines Gleichspannungspotentials umfaßt, wobei der erste Ausgangsanschluß mit dem Gleichspannungs-Übergangsknoten gekoppelt ist und der zweite Ausgangsanschluß mit einem anderen Knoten von der ersten und der zweiten Vorrichtung gekoppelt ist.
Gerät nach Anspruch 20, welches ferner mindestens eine Wechselspannungs-Sperrvorrichtung in Reihe zwischen dem Gleichspannungs-Übergangsknoten und dem ersten Ausgangsanschluß umfaßt.
Gerät nach Anspruch 20, welches ferner mindestens eine Wechselspannungs-Sperrvorrichtung in Reihe zwischen dem anderen Knoten der ersten und der zweiten Vorrichtung und dem zweiten Ausgangsanschluß umfaßt.
Gerät nach Anspruch 1, wobei das Wechselspannungsnetzwerk ein Mehrphasen-Wechselspannungsnetzwerk (1200) mit einem Wechselspannungszweig für jede Phase des Netzwerks ist, wobei die erste PECS-Vorrichtung so ausgelegt ist, daß sie ein Teil eines ersten Wechselspannungszweigs (1209A) ist, und die zweite PECS-Vorrichtung so ausgelegt ist, daß sie ein Teil eines zweiten Wechselspannungszweigs (1209B) ist.
Gerät nach Anspruch 1, wobei das Wechselspannungsnetzwerk ein Mehrphasen-Wechselspannungsnetzwerk (1300) mit einem Wechselspannungszweig für jede Phase des Netzwerks ist, wobei die erste und die zweite PECS-Vorrichtung so ausgelegt sind, daß sie ein Teil eines ersten Wechselspannungszweigs sind.
Gerät nach Anspruch 1, wobei die PECS-Konfiguration so ausgelegt ist, daß sie im Wechselspannungsnetzwerk für einen stationären Betrieb betriebsfähig montiert ist.
Gerät nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite PECS-Vorrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse montiert sind.
Gerät nach Anspruch 26, wobei die erste und die zweite PECS-Vorrichtung in einem dielektrischen Fluid aufgehängt und am Gehäuse mit einer isolierten Befestigungsvorrichtung montiert sind, wobei das Gehäuse einen elektrisch berührungssicheren Behälter festlegt.
Gerät nach Anspruch 1, wobei die Last ein Spaltphasen-Wechselspannungs-Induktionsmotor ist und die PECS-Vorrichtungen so ausgelegt sind, daß sie in Reihe zwischen die Wechselspannungsquelle und eine Wicklung (1900) des Spaltphasenmotors geschaltet sind, und für einen kontinuierlichen Betrieb des Motors eingeschaltet bleiben.
Gerät nach Anspruch 1, wobei die PECS-Vorrichtungen ein Teil einer LC-Filterschaltung mit einem Induktor sind, wobei die LC-Filterschaltung für eine Leistungsgrundfrequenz abgestimmt ist und außerdem einen Schalter zum Überbrücken der PECS-Vorrichtungen bei der Erfassung eines Fehlers stromabwärts aufweist.
Gerät nach Anspruch 1, wobei die Wechselspannungsquelle eine erste Wechselspannungsquelle ist, wobei eine zweite Wechselspannungsquelle mit einer anderen Wechselspannung als die erste Wechselspannungsquelle mit der ersten PECS-Vorrichtung über einen strombegrenzten Gleichrichter betriebsfähig verbunden ist.
Gerät nach Anspruch 1, wobei die Gleichspannungen zum Vorspannen der ersten und der zweiten Vorrichtung bezüglich der Wechselspannungsanwendung einander im Wesentlichen aufheben.
Gerät nach Anspruch 1, welches ferner eine elektrische Wechselspannungsvorrichtung umfaßt, die sich zwischen den Antireihen-PECS-Vorrichtungen befindet, wobei die Wechselspannungsvorrichtung mit einem anderen Gleichspannungspegel betrieben wird als die angeschlossene Wechselspannungsanwendung.
Gerät nach Anspruch 32, wobei die Wechselspannungsvorrichtung eine Gleichspannungsversorgung umfaßt.
Gerät nach Anspruch 33, wobei ein Teil der Gleichspannungsversorgung betriebsfähig zwischen die Antireihen-PECS-Vorrichtungen geschaltet ist, um die erste und die zweite Vorrichtung in Durchlaßrichtung mit Gleichspannung vorzuspannen.
Gerät nach Anspruch 1, wobei die Antireihen-PECS-Vorrichtungen verwendet werden, um einen neutralen Wechselspannungsknoten innerhalb der Wechselspannungsanwendung mit einem Erdungsknoten zu koppeln.
Gerät nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite PECS-Vorrichtung jeweils einen positiven und einen negativen Knoten aufweisen, wobei mindestens der positive oder der negative Knoten von der ersten und der zweiten Vorrichtung von einem Gleichspannungsstandpunkt im Wesentlichen miteinander verbunden sind.
Gerät nach Anspruch 36, wobei die positiven Knoten von der ersten und der zweiten Vorrichtung im Wesentlichen miteinander verbunden sind und die negativen Knoten von der ersten und der zweiten Vorrichtung von einem Gleichspannungsstandpunkt im Wesentlichen miteinander verbunden sind.
Gerät nach Anspruch 1, welches ferner eine oder mehrere PECS-Vorrichtungen umfaßt, die über der zweiten PECS-Vorrichtung im Wesentlichen parallel geschaltet sind, wobei die eine oder die mehreren PECS-Vorrichtungen sich in einer Antireihenkonfiguration mit der ersten PECS-Vorrichtung befinden.
Gerät nach Anspruch 38, wobei sich die eine oder die mehreren PECS-Vorrichtungen auch in einer Antireihenkonfiguration mit der zweiten PECS-Vorrichtung befinden, wobei sich die erste, die zweite und eine oder mehrere PECS-Vorrichtungen miteinander in einer Antireihenkonfiguration befinden.
Gerät nach Anspruch 1, welches ferner einen oder mehrere Sätze von betriebsfähig in Durchlaßrichtung vorgespannten Antireihen-PECS-Vorrichtungen umfaßt, die miteinander und mit der ersten und der zweiten Antireihen-Vorrichtungskonfiguration an einem Gleichspannungs-Übergangsknoten verbunden sind, um eine Wechselspannungs-Stromteiler-Verzweigung zu bilden.
Gerät nach Anspruch 1, welches ferner einen nicht-polaren Kondensator umfaßt, der über zumindest der ersten PECS-Vorrichtung im Wesentlichen parallel geschaltet ist.
Gerät nach Anspruch 1, wobei die Antireihen-PECS-Vorrichtungen zum Verbessern einer stationären Wechselspannungsanwendung verwendet werden.
Gerät nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Gleichspannungsquelle betriebsfähig mit der ersten und der zweiten PECS-Vorrichtung verbunden ist, so daß ein Wechselspannungssignal von der Wechselspannungsanwendung im Wesentlichen nicht durch die mindestens eine Gleichspannungsquelle geleitet wird.
Gerät nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Antireihen-Vorrichtung in einem dielektrischen Fluid aufgehängt sind und innerhalb eines Gehäuses mit einer isolierten Befestigungsvorrichtung montiert sind, wobei das Gehäuse einen elektrisch berührungssicheren Behälter festlegt und elektrische Kontakte zur Verbindung vorsieht.
Wechselspannungsnetzwerk mit: einer Wechselspannungsquelle (605; 652; 772; 805; 905; 1005) einer Wechselspannungslast (620; 670; 790; 940; 1031), die betriebsfähig mit der Wechselspannungsquelle gekoppelt ist; und einer Vorrichtung nach Anspruch 1.
Verfahren zur Verwendung von PECS-Vorrichtungen (612, 614; 662, 664; 778, 782; 812, 814; 912, 914; 1009, 1023) in einem Wechselspannungsnetzwerk mit einer Wechselspannungsquelle (605; 652; 772; 805; 905, 1005) und einer betriebsfähig gekoppelten Wechselspannungslast (620; 670, 790; 940; 1031), umfassend: a) Implementieren zumindest einer ersten und einer zweiten PECS-Vorrichtung (612, 614; 662, 664; 778, 782; 812, 814; 912, 914; 1009, 1023) in einer Antireihenkonfiguration innerhalb eines Wechselspannungsnetzwerks zum Verbessern des Betriebs des Wechselspannungsnetzwerks, wobei ein Wechselspannungssignal an die Antireihenvorrichtungen angelegt wird; und b) Vorspannen der PECS-Vorrichtungen in Durchlaßrichtung mit mindestens einer Gleichspannung (616, 618; 663, 665; 774, 786; 818; 926; 1013, 1027); dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt b) beide PECS-Vorrichtungen während des Betriebs des Wechselspannungsnetzwerks kontinuierlich in Durchlaßrichtung vorgespannt gehalten werden.
Verfahren nach Anspruch 46, wobei die Gleichspannungen zumindest über der ersten und zweiten Vorrichtung bezüglich des Wechselspannungsnetzwerks einander im Wesentlichen aufheben.
Verfahren nach Anspruch 46, wobei der Vorgang der Implementierung der Antireihen-PECS-Vorrichtungen das Implementieren eines ersten und eines zweiten polarisierten Kondensators umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 48, wobei der erste und der zweite polarisierte Kondensator an einem Gleichspannungs-Übergangsknoten miteinander gekoppelt sind, wobei das Verfahren ferner das Vorsehen einer Wechselspannungs-Sperrvorrichtung (932, 1017) zwischen dem Gleichspannungs-Übergangsknoten und einer Gleichspannungsreferenz der mindestens einen Gleichspannungsquelle umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 49, wobei der Vorgang der Implementierung der Antireihenvorrichtungen innerhalb eines Wechselspannungsnetzwerks die Verwendung der polarisierten Antireihenkondensatoren in Reihe zwischen der Wechselspannungsquelle und der Wechselspannungslast zum Verbessern des Leistungsfaktors bezüglich der Wechselspannungsquelle umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 46, welches ferner die Einstellung der Wechselspannungsnetzwerk-Impedanz, wie von der Wechselspannungsquelle erfahren, durch einstellbares Einschalten der Antireihenvorrichtungen innerhalb des Netzwerks umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 46, wobei die Antireihenvorrichtungen mit einem elektrischen Schalter einstellbar eingeschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 46, wobei Wechselspannungsnetzwerk-Parameter durch steuerbares Verändern der Temperatur der PECS-Vorrichtungen verändert werden.
Verfahren nach Anspruch 53, wobei der Vorgang des steuerbaren Veränderns der Temperatur der PECS-Vorrichtungen mit einer Wärmeaustauschvorrichtung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 46, welches ferner das Vorsehen einer Widerstandsvorrichtung im Wesentlichen parallelgeschaltet über jeder der ersten und der zweiten PECS-Vorrichtung zum Vorspannen der Vorrichtungen in Durchlaßrichtung und zum Ausgleichen derselben in einer Spannungsteileranwendung umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 46, welches ferner das Vorsehen mindestens eines Ableitwiderstandes umfaßt, der betriebsfähig mit der ersten und der zweiten PECS-Vorrichtung verbunden ist, um die Vorspannung über den PECS-Vorrichtungen für sichere Abschalt- und Wartungszwecke zu entladen.
Verfahren nach Anspruch 46, wobei der Betrag der Wechselspannung, die über jede PECS-Vorrichtung angelegt wird, geringer ist als der Betrag der Gleichvorspannung über jeder PECS-Vorrichtung.
Verfahren nach Anspruch 46, wobei die stationäre Überlagerung der Gleichvorspannung und der Wechselspannung, die über jede PECS-Vorrichtung angelegt werden, innerhalb der Nennspannung von jeder PECS-Vorrichtung bleibt.
Verfahren nach Anspruch 46, wobei zumindest eine elektrisch isolierte Gleichvorspannungsquelle über der ersten PECS-Vorrichtung zur Verwendung in einer stationären Wechselspannungsanwendung im Wesentlichen parallel geschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 46, wobei zumindest eine elektrisch isolierte Gleichvorspannungsquelle über der ersten PECS-Vorrichtung zur Verwendung in einer vorübergehenden Wechselspannungsanwendung im Wesentlichen parallel geschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 59, wobei eine Gleichrichterbrücke verwendet wird, um eine elektrische Isolation der gleichgerichteten Gleichspannung für eine kontinuierliche Aufladung der ersten PECS-Vorrichtung vorzusehen.
Verfahren nach Anspruch 61, wobei zumindest ein Gleichspannungspol der Gleichvorspannungsquelle von mindestens einer Wechselspannungsquelle für ein kontinuierliches Vorspannen der ersten PECS-Vorrichtung in Durchlaßrichtung elektrisch isoliert wird.