DE2035565B2 - Wechselrichter, der zwei Thyristoren sowie eine Einrchtung zum abwechselnden Ein- und Ausschalten der Thyristoren aufweist - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wechselrichter, der zwei Thyristoren sowie eine Einrichtung zum abwechselnden Ein- und Ausschalten der Thyristoren aufweist, wobei die Thyristoren zum abwechselnden Schalten von Strom mit einer oder mehreren Gleichstromquellen verbunden sind, so daß· sie einen Wechselstrom für eine Ausgangsbelastung liefern, ferner mit einem Schwingkreis, der so geschaltet ist, daß er Wechselstrom von den Thyristoren empfängt, wobei der Schwingkreis das Abschalten desjenigen Thyristors verursacht, der eingeschaltet ist, bevor der andere Thyristor in den Einschaltzustand getriggert wird, sowie mit zwei unipolaren Überlauf-Stromwegen, die den zugehörigen Thyristoren parallel geschaltet sind, um Sperrstrom aus dem Schwingkreis abzulassen, nachdem dieser den eingeschalteten Thyristor abgeschaltet hat. Ein solcher Wechselrichter ist im Buch von Bedford und Hoft »Principles of Inverter Circuits«, 1964, Seiten 226 bis 230, beschrieben.

Bei Verwendung eines solchen Wechselrichters zur Speisung eines Hochspannungsgenerators des Cockcroft-Walton-Typs hat dieser Wechselrichter eine Reihe von Nachteilen. So ist die maximale Betriebsfrequenz begrenzt, weil die Umkehrspannung, die das Abschalten der Thyristoren bewirkt, auf den Spannungsabfall am unipolaren Überlauf-Stromweg begrenzt ist, wegen der Diode im speziellen Beispiel z. B. etwa 1 Volt. Eine höhere Umkehrspannung ist aber erforderlich, wenn der Thyristor schnell abgeschaltet werden soll.

Wenn der Belastungswiderstand unter einen bestimmten Wert abfällt, dann schwindet die !Commutation, und beide Thyristoren werden gleichzeitig eingeschaltet, was zu einem höchst unerwünschten Kurzschlußweg an der Stromquelle führt. Wenn ferner der Generator bei Anwendung auf Hochspannungsgeneratoren über einen Aufwärtstransformator gespeist wird, dann könnte ein Betrieb ohne Belastung des Generators übermäßige Ausgangsspannungen erzeugen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wechselrichter zur Speisung eines Hochspannungsgenerators zu schaffen, der in seiner Betriebsfrequenz ίο weniger begrenzt ist und demnach sicher kommentiert, wobei bei Entlastung des Generators keine gefährliche Überspannung auftreten kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei Anwendung zur Speisung eines Hochspannungsgenerators des Cockcroft-Walton-Typs mit einer Vielzahl von Cockcroft-Walton-Stufen jeder der unipolaren Überlauf-Stromwege eine Induktivität einschließt

Bei einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform teilen sich die beiden unipolaren Überlauf-Stromwege 2n eine gemeinsame Induktivität

Die Induktivität im Überlauf-Stromweg sieht eine Umkehrspannungsspitze zum schnellen Entladen des Thyristors vor.

Die Erfindung wird nunmehr anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 eine elektrische Schaltungsanordnung eines Hochspannungsgenerators des Cockcroft-Walton-Typs,

F i g. 2 das Prinzip eines Wechselrichters gemäß der JO Erfindung,

Fig.3 eine Abwandlung des Wechselrichters nach Fig.2, bei der die Maßnahme nach der Erfindung weggelassen ist,

F i g. 4 graphische Darstellungen von Wellenformen J5 mit Bezug auf die Zeit, von Spannungen und Strömen an verschiedenen Punkten, die in F i g. 2 markiert sind,

F i g. 5 eine elektrische Schaltungsanordnung eines Teils der Fig.2, wobei der Verbraucherstromkreis mehr im einzelnen dargestellt ist, die
Fig.6a und 6b Wellenformen, die zur Beschreibung der Betriebsweise der in F i g. 5 dargestellten Schaltung gehören, und

Fig. 7 eine Abänderungsform des in Fig. 2 dargestellten Wechselrichters.

Vi Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Generator für hohe elektrische Spannung durch drei modulare Einheiten vorgesehen, welche in einem Stapel verbunden sind.

Die modulare Grundeinheit 11, we'.che die zentrale

>o Einheit bei diesem Ausführungsbeispiel bildet, weist vier Kondensatoren C l_r C2, C3 und C 4 auf, die mit Dioden D1, D 2, D3, D4 in Cockcroft-Walton-Form verbunden sind, wie am besten aus F i g. 1 zu erkennen ist.

Widerstände R 1, R 2, R 3 und R 4, damit die Ladung an

^r)'> den Kondensatoren langsam abfließen kann, so daß eine Hochspannung an dem Gerät im ausgeschalteten Zustand nicht aufrechterhalten wird.

Die untere Einheit 11/und die obere Einheit llo sind im Grunde genommen gleich der Einheit 11, weisen bo jedoch leichte Abänderungen auf, so daß sie zweckmäßigerweise jeweils eine Eingangseinheit und eine Ausgangseinheit bilden können.

Die Einheiten 11/und Ho weisen die gleiche Reihe von Kondensatoren Cl, C2, C3, C4 und Dioden Dl, M D 2, D 3, D 4 sowie Widerstände R 1, R 2, R 3, R 4 auf. Die Eingangseinheit 1 l/ist jedoch mit einer Verbindung zu einer Buchse PL 1 versehen, an welcher eine Eingangs-Wechselstromversorgung angeschlossen

wird. Außerdem ist die Eingangseinheit 11/mit einem Widerstand R 5 sowie mit einer Diode D 5 und einem Kondensator CS für Überwachungszwecke versehen. Der Widerstand RS isi ein Nebenschluß-Widerstand, der so angeordnet ist, daß die Messung der am Widerstand RS entwickelten Spannung eine Anzeige für den Ausgangsstrom liefert. Die Anordnung von Diode DS und Kondensator CS sieht eine Messung des Leckstromes über die Widerstände R 1 und R 2 vor, wobei davon eine Anzeige für die Spannung abgeleitet wird.

Die Ausgangseinheit Ho weist eine Kabelverbindung zu einer Ausgangsbuchse SK 2 auf. In diesem Kabel ist eine Reihe von Widerständen Λ6, RT, RS, R9 eingebaut. Der Zweck dieser Widerstände besteht darin. den vom Ausgang abgezogenen Strom zu begrenzen, insbesondere für den Fall, daß dieser kurzgeschlossen wird.

Ein Generator für eine sehr hohe Spannung kann durch Hinzufügen von modularen Einheiten 11 in den Stapel zwischen die modularen Eingangs- und Ausgangseinheiten konstruiert werden.

F i g. 1 gibt einen Stapel mit negativem Ausgang wieder. Für einen positiven Ausgang sind alle Dioden umzukehren.

F i g. 2 zeigt das Prinzip eines Wechselrichters zur Lieferung von Wechselstrom nach dem Eingang bei PL 1 des Cockcroft- Walton-Spannungsgenera tors gemäß Fig. 1.

Der Ausgang wird effektiv von der mit Vd bezeichneten Stelle abgenommen, und zwar an einer Last, die durch einen Widerstand RL in F i g. 2 dargestellt und im einzelnen innerhalb des gestrichelten Kästchens in F i g. 5 gezeigt ist.

Eine Gleichstromquelle liefert Spannungen mit + E, -E und O Volt an Stellen, die in F i g. 2 entsprechend markiert sind. Strom wird über den Widerstand RL abwechselnd von +fund -E durch Silizium-gesteuerte Gleichrichter CSR 1 und CSR 2 geschaltet. Triggerimpulse für diese Thyristoren werden von einer nicht dargestellten äußeren Schaltung zugeführt. Eine Kommutation wird durch einen Schwingkreis mit einer Induktivität L1 und einem Kondensator CCl sichergestellt. Dioden DDX und DD 2 lassen umgekehrten Strom bzw. Sperrstrom ab, nachdem ihr zugeordneter Thyristor, CSR 1 bzw. CSR 2, abgeschaltet hat.

Die Induktivität L 2 übt eine wichtige Funktion aus, die am besten verstanden wird, wenn man die Betriebsweise der Schaltung ohne Induktivität L 2 betrachtet, d. h. die in F i g. 3 dargestellte Schaltung.

Nimmt man an. daß der Ausgang vom Punkt A (F i g. 3) eine Rechteckwelle bzw. ein Rechteckimpuls ist, dann liegt unmittelbar vor dem Einschalten des Thyristors CSRl der Punkt A auf -ZfVoIt, und die Diode DD2 leitet, wie durch den Pfeil angedeutet. Wenn der Thyristor CSR 1 getriggert wird, steigi das Potential am Punkt A auf + E Volt an, der Strom im Belastungswiderstand RL kehrt um, und der Strom, der durch den Thyristor CSR 1 in den Schwingkreis mit der Induktivität LX und dem Kondensator CCl fließt, unterstützt den anfänglichen Strom. Eine halbe Periode später kehrt der Strom im Schwingkreis um, und wenn dieser Strom denjenigen im Belastungswiderstand RL überschreitet, dann sperrt der Thyristor CSR 1, und der Überlaufstrom aus dem Schwingkreis wird nach -t- E über die Diode DD 1 zurückgeführt.

Für diese Operation muß die Resonanzfrequenz des Schwingkreises etwas höher liegen als die Schaltfrequenz der Thyristoren, und die charakteristische Impedanz

(I-

CdJ

wird auf die gleiche Rangordnung wie RL gebracht, so daß der Spitzenstrom im kommutierenden Schwingkreis größer als der Strom im Belastungswiderstand RL ist.

Die Schaltung, wie sie in Fig.3 dargestelk ist, unterliegt einer Reihe von Beschränkungen.

(a) Damit die Thyristoren schnell in den Sperrzustand umkehren, sollte eine wesentliche aufrecherhaltende Umkehrspannung angelegt werden. Bei dieser Schaltung ist die Spannung auf die Größenordnung von 1 Volt durch die parallele Diode begrenzt. Folglich wird die Abschaltzeit der Thyristoren vergrößert, und die maximale Betriebsfrequenz des Wechselrichters wird begrenzt

(b) Wenn det Belastungswiderstand RL unter den Wert von etva

CCl

abfällt, so hört die Kommutation auf, mit dem Ergebnis, daß beide Thyristoren gleichzeitig einge-

jo schaltet werden, wobei sie dadurch einen Kurzschluß direkt an die Stromquelle legen,
(c) Der Wechselrichter dieses Ausführungsbeispiels treibt einen Cockcroft-Walton-Generator über einen Aufwärtstransformator. Unter lastlosen Zu-

>ϊ ständen bei einem Rechteckimpuls-Antrieb bzw.

einer Rechteckimpuls-Aussteuerung ist der Überschuß an der Transformator-Sekundärseite infolge seiner Streuinduktivität und Streukapazitäten gleich der Treib- bzw. Steuerspannung. Da der lastlose Ausgang des Cockcroft-Walton-Generators proportional der Eingangsspannung von Spitze zu Spitze ist, entstehen übermäßige Ausgangsspannungen mit möglichen ernsthaften Folgen. Es ist daher wünschenswert, wenn die Kanten der treibenden bzw. aussteuernden Wellenform verringert bzw. verlangsamt werden, um den Überschuß auf ein Mindestmaß herabzusetzen.

Die Dioden DDl und DD 2 sind ersichtlich so geschaltet, daß sie in einer Richtung leitende bzw. unipolare Überlauf-Stromwege bilden, die jeweils an den Thyristoren CSR 1 und CSR 2 angeschlossen sind, um den Sperrstrom vom Schwingkreis abzulassen, nachdem dieser Sperrstrom den eingeschalteten Thyristör abgeschaltet hat. Durch Einsetzen einer Induktivität in jedem der Übcrlauf-Stromwege können die obenerwähnten Begrenzungen bzw. Beschränkungen vermieden oder reduziert werden.
F i g. 2 zeigt den Einbau einer Induktivität L 2, die sich

bo die Überlauf-Stromwege der Dioden DDl und DD 2 teilen.

Die Betriebsweise der Schaltung nach F i g. 2 ist folgende:
Unmittelbar vor dem Einschalten des Thyristors

b5 CSR 1 leitet die Diode DD 2, und ein Strom Ic fließt über die Induktivität L 2 in der durch den Pfeil Q angedeuteten Richtung. Wenn der Thyristor CSP. 1 eingeschaltet wird, dann fließt ein Strom Ie über den

Thyristor in den Schwingkreis hinein, bestehend aus der Induktivität L 1 und dem Kondensator CCl. Dieser in den Schwingkreis hineinfließende Strom Ie wird durch den Strom /cunterstützt, wobei die Summe ein Strom Ib ist. Der Strom Ic fällt in der Starke ab, während der Strom Ie sich mitschwingend aufbaut. Der Strom Ic fällt auf einen Pegel ab, bei welchem die Diode DD 2 nichtleitend wird, und dann beginnt das Potential Vdam Ausgangspunkt mitschwingend von - E Volt auf + E Volt anzusteigen, wobei der Schwingkreis für diesen Spannungsanstieg durch die Induktivität L 2 und die Streukapazität am Belastungswiderstand RL vorgesehen ist.

Die Wellenform der verschiedenen Ströme und Spannungen, wie sie oben behandelt werden, sind in Fig.4 dargestellt, wobei die obere Wellenform diejenige des Potentials Va ist, welches an der Verbindungsstelle zwischen den Induktivitäten L 1 und L 2 (siehe F i g. 2) erscheint.

Der Strom Ib im Schwingkreis von Induktivität L 1 und Kondensator CCl kehrt sich um, wobei der umgekehrte Strom bzw. Sperrstrom durch die Induktivität L 2 fließt. Zur Zeit 11 (siehe F i g. 4) ist der Strom Ib in der Stärke gleich dem Strom Ic, fließt jedoch in entgegengesetzter Richtung zu diesem, so daß der Strom durch den Thyristor CSR 1 Null ist und der Thyristor CSR 1 aufhört zu leiten. Als Folge davon wird

eine Spannung — L 2—am Thyristor CSR 1 erzeugt.

d/

Die Wirkung davon ist als Spitze in der Wellenform des Potentials Va (Fig.4) ersichtlich. Diese durch die Induktivität L 2 erzeugte Spannungsspitze beseitigt schnell die gespeicherte Ladung am Thyristor CSR 1 und gibt diesem die Möglichkeit in den Sperrzustand umzukehren. Kurz danach wird der Thyristor CSR 2 angesteuert, wobei die Betriebsweise in der entgegengesetzten Richtung äquivalent ist.

Daraus ergibt sich, daß eine große Umkehr- bzw. Sperrspannung (Va) erzeugt worden ist, um die Erholungszeit der Thyrstoren zu verkürzen, und die Kanten bzw. Flanken der an die Belastung RL angelegten Wellenform sind verlangsamt bzw. gemildert worden. Darüber hinaus erscheint, wenn RL kurzgeschlossen ist, die Induktivität L2 als eine induktive Belastung, und die Werte der Induktivität L 1, des Kondensators CC 1 und der Induktivität L 2 können so gewählt werden, daß die Schaltung weiterhin kommutiert. selbst wenn der Belastungswiderstand RL kurzgeschlossen wird.

Um die Auswirkungen der Induktivität L 2 beim Überschuß an der Sekundärseile des Ausgangstransformators, wo die Belastung RL durch einen Transformator vorgesehen ist. /u betrachten, wird auf F i g. 5 Bezug > genommen.

In F i g. 5 ist der Transformator T anstelle des Widerstands RL angeschlossen dargestellt, wobei einige Teile der übrigen Schaltung weggelassen sind. Eine Induktivität L3 und ein Kondensator CC3 stellen die

in Streuinduktanz und die Streukapazität des Transformators in bezug auf die Primärwicklung dar.

Beim Anlegen einer Spannungsstufe 2£"Volt an den Transformatoreingang steigt der Punkt mit dem Bezugszeichen C mitschwingend auf 4E Volt an.

Ii Unmittelbar bevor die Diode DD 1 leitet, befindet sich der Punkt B auf + E Volt. d. h.. die Spannung an der Induktivität L 2 ist Null. Somit ist die Änderungsrate des Stromes in der Induktivität L 2 Null. Die Spannungen an den Punkten Cund D liegen ebenfalls auf +L Volt, und der Strom ist in diesem Augenblick

2 E ■ Cd

VLl + L3

Wenn die Diode DD1 leitet, fällt die effektive Reiheninduktivität auf L 3 ab. Unter diesen Bedingungen kann nachgewiesen werden, daß die Stärke des Überschusses

2£

L3

Ll+ L3

Die Auswirkung davon ist in den F i g. 6a und 6b ι, veranschaulicht. Fig.6a zeigt die Spannungs-Wellenform am Transformator, wenn L 2 = 0 ist, d. h. bei der Konfiguration nach F i g. 3. F i g. 6b zeigt die Spannungs-Wellenform am Transformator, wenn eine Induktivität L2 = 8L3 eingesetzt ist, wie bei der An Konfiguration nach F i g. 2.

F i g. 7 zeigt die Abänderung des Wechselrichters, bei welchem der Belastungswidersland RL' parallel zum Kondensator CCl' geschaltet ist. der einen Teil des kommutierenden Schwingkreises ist. Eine einzelne 4ϊ Induktivität L Γ mit drei Anzapfungen übt die Funktion der Induktivitäten Ll und L 2 der Fig. 2 aus. Die Thyristoren CSR V und CSR 2' sowie die Dioden DD 1' und DDI weisen eine den entsprechenden Bauelementen in F i g. 2 äquivalenten Anordnung und Funktion auf.

Hier/u .-■ Bkiii

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Wechselrichter, der zwei Thyristoren sowie eine Einrichtung zum abwechselnden Ein- und Ausschalten der Thyristoren aufweist, wobei die Thyristoren zum abwechselnden Schalten von Strom mit einer oder mehreren Gleichstromquellen verbunden sind, so daß sie einen Wechselstrom für eine Ausgangsbelastung liefern, ferner mit einem Schwingkreis, der so geschaltet ist, daß er Wechselstrom von den Thyristoren empfängt, wobei der Schwingkreis das Abschalten desjenigen Thyristors verursacht, der eingeschaltet ist, bevor der andere Thyristor in den Einschaltzustand getriggert wird, sowie mit zwei unipolaren Überlauf-Stromwegen, die den-zugehörigen Thyristoren parallel geschaltet sind, um Sperrstrom aus dem Schwingkreis abzulassen, nachdem dieser den eingeschalteten Thyristor abgeschaltet hat, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung zur Speisung eines Hochspannungsgenerators des Cockcorft-Walton-Typs mit einer Vielzahl von Cockcroft-Walton-Stufen jeder der unipolaren Überlauf-Stromwege (L 2, DDi; DD 2; L 2) eine Induktivität (L 2; L 1') einschließt.

2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden unipolaren Überlauf-Stromwege (Z. 2, DDl; DD 2, L 2) sich eine gemeinsame Induktivität (L 2; L Y) teilen.