AT407455B

AT407455B - Schaltung zur aufnahme sinusförmigen netzstromes

Info

Publication number: AT407455B
Application number: AT201696A
Authority: AT
Inventors: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss; Lutz Dipl Ing Dr Techn Erhartt
Original assignee: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Priority date: 1996-11-19
Filing date: 1996-11-19
Publication date: 2001-03-26
Also published as: ATA201696A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Wandlerschaltungen zur Umformung von Gleichspannungen in Gleichspannungen mit Hilfe von einem oder zweien aktiven Halbleiterschaltern wie Bipolartran- sistor, MOSFET, IGBT, GTO, MCT, SIT, eines passiven Schalters (Diode) und einer angezapften Induktivität mit Eisenkern (Spartransformator). Durch Vorschalten einer einfachen Gleichrichterschaltung (z. B. Brückenschaltung B2 oder Mittelpunktschaltung M2) und entsprechender Ansteuerung kann dem Netz ein Strom mit überwiegender Grundharmonischer entzogen werden, der in Phase mit der Grundharmonischen der Netzspannung ist. Die Oberschwingungen können mit Hilfe von Filtern beseitigt werden und dem Einphasennetz dadurch ein sinusförmiger Strom entnommen werden.

Nichtlineare Lasten (das ist z. B. jeder Gleichrichter) führen zur Entnahme nichtsinusförmiger Ströme aus dem speisenden Netz. Dadurch kommt es im Zusammenhang mit der Netzimpedanz zu Verzerrungen der Netzspannung. Es treten immer strengere Vorschriften in Kraft, die es in solchen Fällen erforderlich machen, Schaltungen zur Aufnahme sinusförmigen Netzstromes vorzuschalten. Diese Schaltungen emulieren einen Ohmschen Widerstand. In der Literatur sind eine Reihe von Schaltungen dafür beschrieben (z. B. K. H. Liu & Y. L. Lin : Current waveform distortion in power factor correction circuits emploing discontinuous mode boost converter, IEEE PESC'89, pp. 825-829 ; C. Zhou, R. B. Ridley & F. C.

Lee : Design and Analysis of a hysteic Boost Power Factor Correction Circuit, PESC'90, pp. 800-807).

In EP-A1-0 685 922 (AT & T) wird ein Einschaltentlastungsnetzwerk (bestehend aus der Spule Ls, dem Widerstand Rs und Hilfsdioden D2 und D3, Nomenklatur wie in Fig. 2, nicht wie im Patentanspruch) für einen Hochsetzsteller behandelt. Diese Schaltung kann durch Vorschalten eines Gleichrichters zu einem PFC erweitert werden (Anspruch 5). Bei der in Patentanmeldung A 2016/96 vorgelegten Erfindung handelt es sich um eine neue Schaltungsvariante zur Entnahme von sinusförmigem Netzstrom und nicht um ein Entlastungsnetzwerk für eine solche Schaltung. Die zugrundeliegende Schaltungsstruktur stimmt nicht mit der Struktur in EP-A1-0 685 922 überein.

In EP-A2-0 508 595 (VLT CORPORATION) werden Hochsetzstellerstrukturen und Methoden zur Entlastung der Halbleiter durch Schalten im Stromnulldurchgang behandelt (zero current switching). Fig. 25B zeigt einen Power Factor Corrector, bestehend aus einem Gleichrichter und einem ZCB CONVERTER, damit ist ein Zero Current Boost Converter, also eine Boost Schaltung die ein Ausschalten des Halbleiterschalters bei Stromnulldurchgang ermöglicht gemeint. Um den Strom bei eingeschaltetem Schalter zu null zu machen, benötigt man Hilfsschwingkreise bestehend aus einer Kapazität (204) und einer Induktivität in Serie mit dem aktiven Schalter (hier realisiert z.

B. durch 44 (Fig. 4A), 46 (Fig. 4B), 102 (Fig. 7), 100 (Fig 8) oder durch die Streuinduktivität eines Trafos L12 in 200 in Fig. 18).

Fig. 27B zeigt im Kern eine Hochsetzstellerstruktur mit Spartransformator (angezapfter Hochsetzstellerspule). Da es sich in EP-A2-0 508 595 um die Anwendung von Zero Current Switching bei Boost Convertern handelt, erscheint immer der kleine Kondensator zwischen Spulenausgang und Bezugspotential. Er liegt auch immer vor der Boostdiode.

Bei Ausgangsleistungen kleiner 1kW ist die gängigste Lösung der Boost Konverter im diskontinuierlichen Betrieb. Ein Zeichen für die weite Verbreitung ist das Vorhandensein von fertigen Ansteuer-Ics auf dem Markt. Der grösste Vorteil des Hochsetzstellers Im diskontinuierlichen Betrieb Ist die Vermeidung der Probleme, die durch das Schalten des aktiven Schaltelements auf die stromführende Diode entstehen. Damit verbunden sind bekanntlich zusätzliche Verluste und elektromagnetische Störungen.

Da die gleichgerichtete Spannung, die durch das Netz vorgegeben ist und die die Eingangsspannung für den Hochsetzer darstellt, von null bis zum Spitzenwert der Netzspannung periodisch variiert, muss das Tastverhältnis, mit dem der aktive Schalter des Hochsetzers betrieben wird, ebenfalls periodisch in weitem Bereich variiert werden.

Im diskontinuierlichen Betrieb kann der Spitzenwert 1 der Ströme durch die Halbleiterbauelemente (Schalter bzw. Diode) nicht kleiner als 1 = 21Lal (1 - d) werden (mita als Laststrom und d als Tastverhältnis des aktiven Schalters). Wenn das Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung gross ist (das ist im Bereich des Spannungsnulldurchganges der Fall), nähert sich die
EMI1.1

Claims

Spitzenstrom wird daher sehr gross. Beim Vorgehen nach Patentanspruch 1 kann diese Spitzenstrombelastung deutlich reduziert werden. In der Veröffentlichung "A Simple Boost-Converter with High Step-Up Ratio"von L. Erhartt & F. A. Hímmelstoss, PECIM'95 ist eine Analyse eines speziellen Hochsetzstellers bei Umsetzung der gleichen Leistung bei variierender Eingangsspannung durchgeführt. Dabei zeigten sich eine Reihe von Vorteilen, die auch bei Erweiterung der Schaltung zu einem PFC zum tragen kommen. Da die Eingangsspannung beim PFC in sehr grossem Masse schwankt, kann diese Hochsetzstellerstruktur noch durch einen zweiten aktiven Schalter, der stromunidirektional auszuführen ist, erweitert werden, der dann zu takten beginnt, wenn das Tastverhältnis für den Schalter S1 ungünstig wird.

Besonders am Grenzfall zwischen kontinuierlichem und diskontinuierlichem Fall sind die Belastungen der Schalter sehr günstig. Um dies immer zu gewährleisten muss man neben dem Tastverhältnis auch die Schaltfrequenz regeln.

Der Kondensator (10) in der gegenständlichen Erfindung liegt hinter der Diode und stellt den Zwischenkreispufferkondensator dar. Während nun ein Hochsetzer mit gekoppelter Spule und die Verwendung eines Hochsetzstellers in Zusammenwirken mit einem Netzgleichrichter als Power Factor Corrector, d. h. eine Schaltung, die dem Netz einen annähernd sinusförmigen Strom entnimmt und damit einen Zwischenkreis (dessen Spannung grösser als der Spitzenwert der Netzspannung ist) versorgt, allgemein bekannt sind, kommt im Rahmen der gegenständlichen Erfindung noch der stromunidirektionale Schalter (8) hinzu. Erst durch den Einsatz dieser beiden Schalter in Kombination kann eine Verbesserung gegenüber herkömmlichen Systemen erreicht werden.

Besonders beim Spannungsnulldurchgang und im Bereich kleiner Spannungen kann durch die Wirkung des Spartransformators eine bessere Qualität des Stroms erzielt werden. Dies führt zu einer Verringerung der Stromoberschwingungen im Netz, die ja die Verursacher für Netzspannungsverzerrungen sind. Die gegenständliche Schaltung kann dadurch als qualitative Verbesserung aufgefasst werden, wobei zusätzlich noch eine bessere Ausnutzung der Bauteile erfolgt.

Die Patentansprüche werden daher ganz konkret auf die Schaltung Fig. 1 (bzw. Fig. 2) bezogen.

Es handelt sich dabei um eine Schaltung zur Aufnahme sinusförmigen Netzstromes aus dem Einphasennetz (uN), bestehend aus einem Gleichrichter (3), einer Spule mit Anzapfung (6), einem elektronischen Schalter (7), einem stromunidirektionalen elektronischen Schalter (8), einer Diode (9), einem Kondensator (10) und einer Regeleinrichtung (13) dadurch gekennzeichnet, dass der positive Anschluss des Gleichrichters mit einem Aussenanschtuss der Spule mit Anzapfung (6) verbunden ist, der zweite Aussenanschluss der Spule mit Anzapfung (6) mit der Anode der Diode (9), und die Kathode der Diode (9) mit dem Ausgang der Schaltung (11) verbunden ist, weiters der negative Pol (Anschluss) der Gleichrichterschaltung direkt mit dem Ausgangsanschluss (12) der Schaltung verbunden ist, parallel zu den Ausgangsanschlüssen (11,12) ein Kondensator (10) geschaltet ist,

zwischen der Anzapfung der Spule mit Anzapfung (6) und dem negativen Ausgangsanschluss (12) ein Schalter (7) und zwischen dem Verbindungspunkt, gebildet durch den zweiten Aussenanschluss der Spule mit Anzapfung (6) und der Anode der Diode (9) und der negativen Ausgangsklemme (12) ein stromunidirektionaler Schalter geschaltet ist (Fig. 1).

PATENTANSPRÜCHE : 1. Schaltung zur Aufnahme sinusförmigen Netzstromes aus dem Einphasennetz (uN), bestehend aus einem Gleichrichter (3), einer Spule mit Anzapfung (6), einem elektro- nischen Schalter (7), einem stromunidirektionalen elektronischen Schalter (8), einer Diode (9), einem Kondensator (10) und einer Regeleinrichtung (13) dadurch gekennzeichnet, dass der positive Anschluss des Gleichrichters mit einem Aussenanschluss der Spule mit Anzapfung (6) verbunden ist, der zweite Aussenanschluss der Spule mit Anzapfung (6) mit der Anode der Diode (9), und die Kathode der Diode (9) mit dem Ausgang der Schaltung (11) verbunden ist, weiters der negative Pol (Anschluss) der Gleichrichterschaltung direkt mit dem Ausgangsanschluss (12) der Schaltung verbunden ist, parallel zu den Ausgangs- anschlüssen (11,12)

ein Kondensator (10) geschaltet ist, zwischen der Anzapfung der Spule mit Anzapfung (6) und dem negativen Ausgangsanschluss (12) ein Schalter (7) und <Desc/Clms Page number 3> zwischen dem Verbindungspunkt, gebildet durch den zweiten Aussenanschluss der Spule mit Anzapfung (6) und der Anode der Diode (9) und der negativen Ausgangsklemme (12) ein stromunidirektionaler Schalter geschaltet ist (Fig. 1).
2. Schaltung zur Aufnahme sinusförmigen Netzstromes aus dem Einphasennetz (uN) bestehend aus den gleichen Bauelementen wie in Anspruch 1, jedoch dadurch gekenn- zeichnet, dass der positive Anschluss des Gleichrichters (4) mit dem positiven Ausgangs- anschluss der Schaltung (11) verbunden ist, der negative Anschluss des Gleichrichters mit einem Aussenanschluss der Spule mit Anzapfung (6) verbunden ist, der zweite Aussenan- schluss der Spule mit Anzapfung (6) mit der Kathode der Diode (9), und die Anode der Diode (9) mit dem Ausgang der Schaltung (12) verbunden ist, weiters parallel zu den Aus- gangsanschlüssen (11,12) ein Kondensator (10) geschaltet ist, zwischen der Anzapfung der Spule mit Anzapfung (6) und dem positiven Anschluss des Gleichrichters (4) ein Schal- ter (7) und zwischen dem Verbindungspunkt, gebildet durch den zweiten Aussenanschluss der Spule mit Anzapfung (6)

und der Kathode der Diode (9) und dem positiven Anschluss des Gleichrichters (4), ein stromunidirektionaler Schalter geschaltet ist (Fig. 2a).
3. Schaltung zur Aufnahme sinusförmigen Netzstromes aus dem Einphasennetz (uN) bestehend aus den gleichen Bauelementen wie in Anspruch 1, jedoch dadurch gekenn- zeichnet, dass der positive Anschluss des Gleichrichters (4) mit der Anode der Diode (9) und die Kathode der Diode (9) mit dem positiven Ausgangsanschluss der Schaltung (11) verbunden ist, der negative Anschluss des Gleichrichters mit einem Aussenanschluss der Spule mit Anzapfung (6) verbunden ist, der zweite Aussenanschluss der Spule mit Anzapfung (6) mit dem negativen Ausgangsanschluss der Schaltung (12) verbunden ist, weiters parallel zu den Ausgangsanschlüssen (11,12) ein Kondensator (10) geschaltet ist, zwischen der Anzapfung der Spule mit Anzapfung (6) und dem positiven Anschluss des Gleichrichters (4) ein Schalter (7) und zwischen dem positiven Anschluss des Gleichrichters (4)

und dem negativen Ausgangsanschluss (12) der Schaltung ein stromunidirektionaler Schalter geschaltet ist (Fig. 2b).
4. Schaltung zur Aufnahme sinusförmigen Netzstromes aus dem Einphasennetz (uN) bestehend aus den gleichen Bauelementen wie in Anspruch 1, jedoch dadurch gekenn- zeichnet, dass der positive Anschluss des Gleichrichters mit einem Aussenanschluss der Spule mit Anzapfung (6) verbunden ist, der zweite Aussenanschluss der Spule mit Anzapfung (6) mit dem positiven Ausgangsanschluss der Schaltung (11) verbunden ist, weiters der negative Pol (Anschluss) der Gleichrichterschaltung mit der Kathode der Diode (6) und die Anode der Diode (6) mit dem negativen Ausgangsanschluss (12) der Schaltung verbunden ist, parallel zu den Ausgangsanschlüssen (11,12) ein Kondensator (10) geschaltet ist, zwischen der Anzapfung der Spule mit Anzapfung (6) und dem negativen Anschluss des Gleichrichters (5) ein Schalter (7) und zwischen dem positiven Ausgangs- anschluss der Schaltung (11)

und dem negativen Anschluss (5) des Gleichrichters ein stromunidirektionaler Schalter (8) geschaltet ist (Fig. 2c).
5. Schaltungen gemäss Patentanspruch 1,2, 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass je nach Eingangsspannung entweder der Schalter (7) oder der Schalter (8) oder beide getaktet werden.
6. Schaltungen gemäss Patentanspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass sie sowohl im kontinuierlichen wie im diskontinuierlichen Betrieb betrieben werden können.
7. Schaltungen gemäss Patentanspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung sowohl das Tastverhältnis als auch die Frequenz geregelt wird.
8. Schaltungen gemäss Patentanspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Schalt- elemente durch Bipolartransistoren, MOSFETs, IGBTs, MCTs, MCThs, SITs, GTOs, Solid State Relais oder Kombinationen von Halbleiterschaltern realisiert sind.