AT407932B

AT407932B - Schaltungen zur entnahme eines vorgegebenen stromes aus dem einphasennetz

Info

Publication number: AT407932B
Application number: AT156797A
Authority: AT
Inventors: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss; Karl Dipl Ing Dr Tec Edelmoser
Original assignee: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Priority date: 1997-09-17
Filing date: 1997-09-17
Publication date: 2001-07-25
Also published as: ATA156797A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Wandlerschaltungen zur Umformung von gleichgerichteten Wechselspannungen in Gleichspannungen bzw. Wechselströme mit Hilfe von zwei bzw. drei loti-
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(Dioden) einem Netztransformator mit geteilter Primärwicklung und einer Induktivität (entweder mit einer Wicklung oder mit zwei gleichartigen Wicklungen auf einem Eisenkern entsprechend einem HF-Transformator). Durch Vorschalten einer einfachen Gleichrichterschaltung (z. B. Brückenscial- tung B2) vor die Wandlerstruktur und entsprechender Ansteuerung kann dem Netz ein Strom mit überwiegender Grundharmonischer entzogen werden, der in Phasenlage mit der Grundharm Dni- schen der Netzspannung nahezu ident ist.

Die Oberschwingungen bedingt durch die Schal re- quenz können mit Hilfe von Filtern einfach beseitigt werden und dem Einphasennetz dadurch ein sinusförmiger Strom entnommen werden. Durch entsprechende Ansteuerung kann aber auch ein beliebiger nichtsinusförmiger Strom (mit dem arithmetischen Mittelwert gleich null) entnommen werden, um so z. B. die Qualität der Netzspannung zu verbessern.

Nichtlineare Lasten (das ist z B. jeder Gleichrichter) führen zur Entnahme nichtsinusförm ger Ströme aus dem speisenden Netz. Dadurch kommt es im Zusammenhang mit der Netzimpe anz zu Verzerrungen der Netzspannung Es treten immer strengere Vorschriften In Kraft, die e In solchen Fällen erforderlich machen, Schaltungen zur Aufnahme eines sinusförmigen Netzstrones
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pp. 825-829 ; C, Zhou, R. B. Ridley & F. C. Lee : Design and Analysis of a Hysteric Boost Power Fa tor Correction Circuit, PESC'90, pp. 800-807).

Zu den Entgegenhaltungen aus der Patentliteratur ist folgendes zu sagen :
In EP 641 065 wird ein Gegentaktwandler in Mittelpunktschaltung mit Vorregler, bei welc em dem Gegentaktwandlerzweig eine geteilte Induktivität und eine Spule vorgeschalten sind, da gestellt. Dabei wird in keinster Weise der Anspruch 1 vorweggenommen. Die vorgeschaltete S ule dient zur Stromeinprägung und benötigt eine Freilaufdiode, die in der gegenständlichen Erfind ng eben nicht benötigt wird. Gerade durch diese Einsparung ist eine Verbesserung des Wirkur gsgrades und daher geringere Verluste zu erzielen.

Ein weiterer Unterschied ist der vorgeschal ete Gleichrichter, der, da die neue Erfindung dem Zweck dient, einen vorgebbaren Strom aus cem Netz zu entnehmen, in dieser Anwendung grundsätzlich notwendig ist.

Die unterschiedliche Lage der Freilaufdiode in bezug auf EP 592 889 A2 ist deswegen on entscheidender Bedeutung, weil sich dadurch die Funktion und das Verhalten der Schaltung gr ndsätzlich ändert. Ebenso ist als grundsätzlicher Unterschied die Tatsache anzuführen, da in EP 592 889 A2 wieder ein Vorregler benutzt wird, der im Gegensatz zur gegenständlichen Tcpo- logie wieder zu erhöhten Verlusten führt, da hier immer nur ein Halbleiterschalter (nach der Gle chrichtung) Im Eingriff steht
Diese Ergänzung erscheint auch deshalb nötig, da der Titel des Patents "Schaltungen zur Ent- nahme eines vorgegebenen Stromes aus dem Einphasennetz" lauten soll, aber darin kein ne es Ansteuerverfahren, sondern dafür geeignete Topologie,

mit verbesserten Wirkungsgrad vo ge- stellt werden.

Gegenüber EP 291 120 ist wieder anzumerken, dass kein Vorregler, bestehend aus einem asti- ven und einem passiven Schalter, verwendet wird und ebenso die komplizierte Symmetrierein eit, bestehend aus vier Dioden, nicht benötigt wird Wegen der Entnahme eines vorgebbaren Stromes aus dem Netz (dieser wird aus praktischen Erwägungen ein reiner Wechselstrom sein) ist, bed ngt durch die dazu erforderliche Ansteuerung der Schalter, eine passive Symmetrierung am Trans formator (Tr) hinfällig,
In EP 581 172 A1 wird eine Schaltung mit einer Gegentakt-Boost Vorstufe zu einem stro gespeisen Gegentaktwandier dargestellt.

Auch gegenüber dieser Struktur wird eine deutliche Verbesserung dadurch erreicht, dass in der gegenständlichen Erfindung keine Vorstufe benötigt ird, da sowohl die Einstellung des eingeprägten Stromes, als auch die Wechselrichtung am Trans Formator mit den gleichen aktiven Schaltern erfolgt, also auch hier die Anzahl der Halbleiterschalte im Kreis verkleinert wird. Weiters versucht auch EP 581 172 A1 hier nicht das Problem der Entnahme eines vorgebbaren Stromes zu lösen.

Die Figuren stellen Ausformungen der gegenständlichen Erfindung dar. Fig. 1 ist das Grund-

konzept. Fig. 2 stellt eine Vereinfachung dar, bei der die Spule L aus Fig. 1 eingespart ist. Fig. 3 stellt eine Erweiterung des Grundprinzips dar, das besonders beim Nulldurchgang der Eingangsnetzspannung zu einer Verbesserung der Stromform führt. Fig. 4 stellt eine weitere mögliche Schaltungsstruktur da, die aber nur im Bereich kleiner Leistungen sinnvoll ist. In Fig. 5 ist eine Kombination der Grundschaltung nach Fig. 1 mit der Verbesserung für kleine Eingangsspannungen nach Fig. 3 dargestellt.

Die Funktionsweise der Schaltungen wird nun anhand von Fig 1, 2, 3, 4 und 5 besprochen, wobei beispielhaft selbstsperrende MOSFETs als aktive Schalter (S1, S2 bzw. S) gezeichnet sind. Die im MOSFET enthaltene Body-Diode ist aus Anschauungsgründen extra strichliert dargestellt (Ds1, Ds2) Werden Schalter ohne eingebaute Diode verwendet, so ist diese bei den Schaltungen gemäss Fig. 1, 2 und 3 extern dazuzufügen, um strombidirektionale Schalter zu realisieren, die Schaltungen gemäss Fig. 4 und 5 erfordern keine strombidirektionalen Schalter und damit auch keine Diode. Die Kapazität C1 In Fig. 1-5 stellt lediglich ein HF-Filter dar, und kann auch weggelassen werden.

Eine den Vorschriften gemässe HF-Entstörung kann auch durch die Implementation eines geeigneten Filters auf der Wechselspannungsseite des Gleichrichters (G1) realisiert werden.

Im Ausgangskreis der Schaltungen kann jede beliebige Last angeschaltet werden. Im besonderen kann durch Gleichrichtung (Brücken- bzw. Mittelpunktschaltung mit einer oder mehrerer Ausgangswicklungen) eine Gleichstromquelle realisiert werden.

Funktionsweise der Schaltung nach Fig. 1 :
Für die positive Halbwelle Im Ausgangsstrom (lAC) wird in der Treibphase S1 eingeschaltet. Der Stromfluss auf der Primärseite des Transformators erfolgt aus der Quelle (Uoc) über die Induktivität L, die gekoppelte Induktivität (LA), den Transformator (Tr) und den Schalter (S1). Der Strom steigt.

Wird nun der Schalter (S1) ausgeschaltet, so erfolgt ein Freilauf, d. h. der Strom kommutiert in die zweite gekoppelte Induktivität (LB) und die Freilaufdiode (Dg2) Die Flussrichtung im Transformator ändert sich zwischen den beiden Zuständen nicht. Während der Erzeugung der positiven Halbwelle des Ausgangsstromes (iAc) wechseln die beiden Zustände alternierend ab.

Für die negative Halbwelle im Ausgangsstrom (iAc) wird in der Treibphase S2 eingeschaltet. Der Stromfluss auf der Primärseite des Transformators erfolgt aus der Quelle (UDC) über die Induktivität L, die gekoppelte Induktivität (LB), den Transformator (Tr) und den Schalter (S2). Der Betrag des Stromes steigt. Wird nun der Schalter (S2) ausgeschaltet, so erfolgt ein Freilauf, d. h. der Strom kommutiert in die zweite gekoppelte Induktivität (LA) und die Freilaufdiode (dus,). Die Flussrichtung im Transformator ändert sich zwischen den beiden Zuständen nicht. Während der Erzeugung der negativen Halbwelle des Ausgangsstromes (iAc) wechseln die beiden Zustände alternierend ab.

Durch geeignete Ansteuerung der beiden Schalter (S, bzw. S2) wird erreicht, dass sich eine sinusförmige Stromaufnahme aus dem Netz UAc ergibt.

Funktionsweise der Schaltung nach Fig. 2 :
In dieser Variation der Schaltung gemäss Fig. 2 ist die Induktivität L durch die Hauptinduktivität der gekoppelten Spulen LA bzw. LB ersetzt. Dies führt zu einer Reduktion des Bauteilaufwandes.

Ansonst gilt die Erklärung gemäss Fig. 1.

Funktionsweise der Schaltung nach Fig. 3 :
Im Gegensatz zu Fig. 1 ist hier an der Stelle (5) ein weitrer Schalter (S) eingefügt worden Dieser führt bei geeigneter Ansteuerung zu einer Verbesserung der Eingangsstromform (iAc) um den Nulldurchgang. Man kann die Kombination L1 und S als zusätzlichen Hilfs-BOOST-Konverter betrachten. Die grössere Änderungsgeschwindigkeit des Eingangsstromes führt zu einer Erhöhung der Dynamik der gesamten Schaltung.

Funktionsweise der Schaltung nach Fig. 4 :
Für die positive Halbwelle im Ausgangsstrom (IAC) wird in der Treibphase der Schalter (S1) eingeschaltet. Der Stromfluss auf der Primärseite des Transformators (Tr) erfolgt aus der Quelle (UDC) über die Induktivität (L), den Transformator (Tr) und den Schalter (S1). Der Strom steigt. Wird nun der Schalter (S1) ausgeschaltet, so erfolgt ein Freilauf, d. h. der Strom kommutiert in die Diode (D). Die Flussrichtung im Transformator ändert sich in den beiden Zuständen nicht. Während der Erzeugung der positiven Halbwelle des Ausgangsstromes wechseln die beiden Zustände alternierend ab. Die in der Hauptinduktivität des Transformators (Tr) gespeicherte Energie wird Im Freilauffall in den Kondensator (C) bzw. in den Lastkreis (La) abgegeben.

Fur die negative Halbwelle im Ausgangsstrom (iAc) wird in der Treibphase (S2) eingeschaltet.

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beachtet werden : Zuerst wird die Induktivität L durch Schliessen des Schalters S aufgeladen der Strom nimmt zu). Danach wir je nach Halbwelle im Ausgangskreis entweder Si oder S2 ei ge-
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gs-kreis. Der Strom in der Induktivität baut sich wieder ab. Danach wird zuerst S eingeschaltet und daraufhin der leitende Schalter Si bzw. S2 gesperrt.
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Claims

PATENTANSPRÜCHE : 1. Wandlerschaltungen zur Umformung einer gleichgerichteten Wechselspannung (UDC) in Wechselströme (iAc) mit Hilfe eines Transformators mit geteilter Primärwicklung (Tr), einer geteilten Induktivität (LA, Ls) mit Kopplungsfaktor nahe eins und zwei strombidirektion tten Schaltern (S1, S2), dadurch gekennzeichnet, dass der positive Anschluss der gleichge Ich- teten Wechselspannung (Uoc) über eine Induktivität (L) über die geteilte Induktivität (LA, LB) mit dem jeweiligen Mittelanschluss (2 bzw. 3) des Transformators (Tr) verbunden ist, weiters die verbleibenden Anschlüsse (1 bzw.

4) der Primärseite des Transformators (Tr) über den jeweils korrespondierenden Schalter (S, bzw. S2) mit dem negativen Anschluss der Quelle (Uoc) verbunden sind, und die Last (La) an die sekundäre Transformators ick- lung angeschlossen Ist (Fig. 1) 2. Wandlerschaltungen gemäss Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Indukti ität (L) weggelassen und durch einen Kurzschluss ersetzt wird (Fig. 2).

3 Wandlerschaltungen gemäss Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass am Verbindu gs- punkt (5) zwischen der Induktivität (L1) und der geteilten Induktivität (LA, Le) und dem nega- tiven Anschluss (n) der Quelle (UDc) ein Schalter (S) eingefügt ist (Fig. 3).

4. Wandlerschaltungen gemäss Anspruch 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Punkt (5) der gekoppelten Spule (LA, LB) und dem negativen Anschluss der Quelle (toc) eine Kapazität geschaltet ist.

5. Wandierschaltungen gemäss Anspruch 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass zwisc hen den Punkten (2) und (3) der gekoppelten Spule (LA, LB) eine Kapazität geschaltet ist.

6. Wandlerschaltungen gemäss Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen P nkt (5) der gekoppelten Spule (LA, LB) und mit dem negativen Anschluss der Quelle (UDC ein Resonanznetzwerk oder Snubber oder ein Kondensator geschaltet wird.

7 Wandlerschaltungen zur Umformung einer gleichgerichteten Wechselspannung (UD) in Wechselströme (iAc) mit Hilfe eines Transformators mit geteilter Primärwicklung (Tr), liner Induktivität (L) und zwei Schaltern (Si, S2), dadurch gekennzeichnet, dass der positive <Desc/Clms Page number 4> Anschluss der g) eichgerichteten Wechseispannung (Uoc) über eine Induktivität (L) mit dem jeweiligen Mittelanschluss (m) des Transformators (Tr) verbunden ist, wobei parallel dazu am Anschluss (1) der Induktivität (L) (die mit dem positiven Anschluss der Quelle (Uoc) ver- bunden ist), die Kathode und am Anschluss (2) der Induktivität (L) die Anode einer Diode (D) geschaltet ist,

weiters die verbleibenden Anschlüsse (3 bzw. 4) der Primärseite des Transformators (Tr) über den jeweils korrespondierenden Schalter (S, bzw. S2) mit dem negativen Anschluss der Quelle (UDC) verbunden sind, und die Last (La) an die sekundäre Transformatorwicklung angeschlossen ist (Fig. 4).

8. Wandlerschaltungen gemäss Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass vom Mittelpunkt (m) des Transformators nach dem negativen Anschluss der Quelle (UDC) ein Schalter (S) eingefügt ist (Fig. 5).

9. Wandlerschaltungen gemäss Anspruch 7 bzw. 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Diode (D) weggelassen wird.

10. Wandlerschaltungen gemäss Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass vom Mittelpunkt (m) des Transformators nach dem negativen Anschluss der Quelle (UDc) eine Kapazität eingefügt ist.

11. Wandlerschaltungen gemäss Anspruch 7 und 8 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Punkten (3) und (4) des Transformators (Tr) eine Kapazität geschaltet wird.

12. Wandlerschaltungen gemäss Anspruch 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass als Last (La) ein Aktuator oder ein Lautsprecher mit eventuell vorgeschaltetem Filter verwendet wird.

13. Wandlerschaltungen gemäss Anspruch 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass an der Sekundärseite, der Ausgangsseite, des Trafos (Tr) als Last (La) ein Wechselspannungs- netz angeschlossen ist, d. h. eine Einspeisung in ein Netz erfolgen kann.

14. Wandlerschaltungen gemäss Anspruch 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Pri- märwicklung des Transformators (Tr) durch zwei Etnzelwicklungen oder durch eine Wick- lung mit Mittelanzapfung realisiert ist.

15. Wandlerschaltungen gemäss Anspruch 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass die Schal- ter durch Snubber entlastet oder durch verlustbehaftete bzw. verlustarm Entlastungsnetz- werke erweitert werden.

16. Wandierschaltungen gemäss Anspruch 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass als Last (La) ein Resonanznetzwerk verwendet wird.

17. Wandlerschaltungen gemäss Anspruch 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass als Last (La) ein Gleichrichter mit bzw. ohne anschliessender Filterung verwendet wird.

18. Wandlerschaltungen gemäss Anspruch 1 bis 17 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Sekundarwicklung des Transformators mit geteilter Primärwicklung (Tr) ein Kondensa- tor geschaltet ist.

19 Wandlerschaltungen gemäss Anspruch 1 bis 18 dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Schalter (Si. S2, bzw. S1, Sz, S) nach bekannter Weise so angesteuert werden, dass dem speisenden Netz ein beliebiger Wechselstrom entnommen wird.

20. Wandlerschaltungen gemäss Anspruch 1 bis 18 dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Schalter nach bekannter Welse so angesteuert werden, dass dem speisenden Netz ein sinusformiger Strom entnommen wird.

21. Schaltungen gemäss Patentansprüche 1 bis 20 dadurch gekennzeichnet, dass die Schalt- elemente durch Bipolartransistoren, MOSFETs, IGBTs, MCTs, MCThs, SiTs, GTOs, Solid State Relais oder Kombinationen von Halbleiterschaltern realisiert sind.