AT408281B

AT408281B - Schaltung zur veränderung des kapazitätswertes eines kondensators mit elektronischen mitteln

Info

Publication number: AT408281B
Application number: AT86097A
Authority: AT
Inventors: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss; Karl Dipl Ing Dr Edelmoser
Original assignee: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Priority date: 1997-05-21
Filing date: 1997-05-21
Publication date: 2001-10-25
Also published as: ATA86097A

Description


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   Besonders In der Energietechnik werden öfters grosse Kondensatoren zum Abblocken von Gleichspannungen benötigt. So dient   z. B.   ein Kondensator in Serie zu   einer Transformatorwicklung   zur Aufnahme der Gleichspannung, um den Transformator vor Sättigung zu schützen. Bei niedngen Frequenzen (in der Energietechnik 50 oder 60 Hz, im Bahnbetrieb im deutschsprachigen Raum gar nur 16 2/3 Hz) sind dazu jedoch grosse Kondensatoren erforderlich, damit nicht die ganze Wechselspannung am Kondensator anliegt, sondern dort, wo sie eigentlich anliegen sollte, an der Transformatorwicklung. 



   Betrachten wir dazu ein Beispiel ein Wechselrichter liefert eine Wechselspannung von 230 V effektiv mit einer kleinen Offsetspannung von 0. 5 V. Diese würde den Transformator in die Sättigung treiben. Der maximale Wechselstrom in unserem Beispiel sei 10A eff. Um das Sättigen zu verhindern, kann ein Kondensator zwischen Wechselrichter und Transformator   geschalten   werden, der die Offsetspannung aufnimmt. Damit die am Kondensator abfallende Wechselspannung, die daher für die eigentliche Last verloren geht, gering zu halten, muss der Kondensator entsprechend dimensioniert werden. Soll z B. nur 1% der Wechselspannung am Kondensator stehen, so berechnet sich der Kondensator (bei 50Hz) aus 
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 zu 13, 8mF, ein praktisch kaum realisierbarer Wert. 



   Um nun einen Kondensator mit elektronischen Mitteln zu vergrössern, wird parallel zum Kondensator eine steuerbare Stromquelle mit dem Steuerfaktor b geschalten, deren Strom proportional zum gewünschten   Kondensatorstrom ie   ist. Der Strom ik durch den Kondensator C ergibt sich (Fig 1) somit zu   =/c- (l-    und die Spannung zu 
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 Die Spannungsänderung am Kondensator kann daher als Spannung an einem Ersatzkonden- 
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    1 IStromquelle (Fig. 2)   und die Anwendung des Verfahrens bei der Symmetrierung eines kapazitiven Spannungsteilers   (Fig. 3).   



   Figur 1 stellt das   Grundpnnzlp   dar. Die elektronisch vergrösserte Kapazität wirkt nach aussen über die beiden Klemmen (4,5) und besteht aus einer Serienschaltung einer Strommesseinrichtung (1)   (z. B.   Strommessshunt mit angeschlossener Auswertung) und eines Kondensators (2), dem die entsprechend dem gemessenen Strom gesteuerte Stromquelle (3) parallel geschaltet ist. 



   Figur 2 stellt eine mögliche Realisierung der gesteuerten Stromquelle dar : Es handelt sich dabei um einen bidirektionalen DC/AC Wandler (6), der durch entsprechende gegengleiche Ansteuerung der beiden aktiven Schalter S1 (16) und S2 (17) aus einer zwischen den Klemmen (7) und (8) liegenden Gleichspannung (9) eine Wechselspannung (10), die zwischen den Klemmen (11) und (12) abgegriffen werden kann erzeugt. Die Energieumsetzung geschieht In bekannter Weise mit Hilfe der magnetischen (L1, L2) und elektrischen (C1, C2) Speicher und der strombidirektionalen Schalter (S1, D1) und (S2, D2). In der   Steuer/Regeleinrichtung   (18) werden die Steuersignale (13,14) für die jeweiligen aktiven Schalter (16,17)   z. B.   durch eine Pulsbreitenmodulation erzeugt.

   Die Schalter werden im Gegentakt angesteuert, wobei eine kleine 

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   Vemegetungszeit,   während der beide Steuersignal auf AUS stehen, sinnvoll ist. Durch die parallel liegenden Dioden (D1, D2) ist jedenfalls eine sofortige Kommutierung sichergestellt. Der   Steuer/Regeleinrichtung   (18) wird das Messsignal des Stromsensors über den Eingang (19) und die Spannungswerte der Gleichspannungsseite (aus der die Hilfsenergie für den gesteuerten Strom entnommen bzw. wieder rückgespeist wird) und die Spannung an der Wechselspannungsseite (bzw. der Strom der aus der Wechselspannungsseite fliesst) über die Eingänge (20,21) zugeführt. 



  Die Berechnung des erforderlichen Tastverhältnis kann mit Hilfe eines Microcontrollers, der auch weitere (Jberwachungs- und Steuerfunktionen übernehmen kann, oder durch eine   analog/digitale   Schaltung erfolgen. Der Ausgangskondensator (C2) des Wandlers (6) liegt parallel zum zu vergrö- ssernden Kondensator (2) und kann daher mit diesem zusammengefasst werden (die Parallelschaltung mehrerer Kondensatoren ist aus   Belastungsgrùnden   und EMV Gründen vorzuziehen). 



  Die erforderliche Hilfsenergie für die Gleichspannungsseite (9) wird entweder aus einem Netzteil oder aus einer Batterie (Akkumulator) zu entnehmen sein
Eine weitere Anwendung der bidirektionalen Kapazitätserweiterung ergibt sich bei der Konstanthaltung des Mittelpunkts bei einem kapazitiven Spannungsteiler gebildet aus den beiden Kapazitäten (23,24). Hier genügt zur Realisierung der Stromquelle ein bidirektionaler DC/DC Konverter, daher ist es gleichgültig, welche Seite (9,10) des Wandlers (6) an welchen Kondensator (23,24)   geschalten   wird   (Fig. 3). Sinnvoll   ist dann auch die Einbeziehung der Kondensatorspannungen in die Regelung des Konverters, um die Spannungen an den Kondensatoren konstant zu halten. 



   Als bidirektionale Wandler sind unter bestimmten Randbedingungen im Prinzip alle Strukturen, die im österreichischen Patent AT 399 625 (bidirektionale Halbbrückenwandler), besonders jedoch die in der   österreichischen   Patentanmeldung A 1247/96 (Schaltungen zur Umformung von Gleichspannungen in Wechsel-, Gleich- oder Mischspannungen) angeführt sind (vgl.   z. B. Flg. 2),   geeignet. Aus praktischen Erwägungen wird man jedoch auch bidirektionale Wandlerstrukturen mit galvanischer Trennung   (z.

   B.   wie in Himmelstoss, Kolar, Zach : A Bidirectional DC-DC Converter Analysis and Control Design, Journal of Electronics and Telecommunication Engineers,   Vol.37,   No. 1, 1991,124-132) benutzen
Die Möglichkeit der raschen Veränderung des Kapazitätswertes legt auch die Verwendung des Verfahrens bei der Blindleistungskompensation nahe. Auch die Variation von Betriebskondensatoren ist ein Erfolg versprechender Einsatzbereich. 



    Bezugszeichenaufstetlung   
1 Stromerfassung
2 Kondensator
3 stromgesteuerte Stromquelle
4 Klemme, Anschluss
5 Klemme, Anschluss
6 DC/DC Konverter oder DC/AC Konverter
7 Klemme, Anschluss
8 Klemme, Anschluss
9 Gleichspannungsseite
10   Wechsetspannungsseite  
11 Klemme, Anschluss
12 Klemme, Anschluss
13 Steuereingang für Schalter S1
14 Steuereingang für Schalter S2
16 aktiver Schalter S1   (z. B. als   MOSFET realisiert)
17 aktiver Schalter S2   (z.

   B. als   MOSFET realisiert)
18   Steuer/Regeleinrichtung  
19 Signaleingang für den Strommesser
20 Signaleingang für die Spannungsmessung an Seite (9)
21 Signaleingang für die Spannungsmessung an Seite (10)
22 bidlrektionaler Wandler mit zugehöriger   Steuer/Regelelektronik   

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 23 Kondensator 24 Kondensator 25 Klemme, Anschluss 
PATENTANSPRÜCHE : 1 Schaltung zur Veränderung des Kapazitätswerts eines Kondensators mit elektronischen
Mitteln dadurch gekennzeichnet, dass eine Stromquelle (3) parallel zu einem Konden- sator (2) liegt und eine Stromerfassung (1) in Serie zur Parallelschaltung aus Kondensator (2) und Stromquelle liegt (Fig. 1).

Claims

2 Schaltung gemäss Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Strom durch die Stromquelle proportional dem durch die Stromerfassung gemessenen Wert ist.

3. Schaltung gemäss Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (3) durch eine bidirektionale Wandlerstruktur (Fig. 2) realisiert ist, dessen Wechselspannungs- seite parallel zum Kondensator (2) liegt und an dessen Gleichspannungsseite eine Gleich- spannungsquelle z. B. eine Batterie liegt 4. Schaltung gemäss Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass sie in Serie zu einem induktiven Bauelement (z. B Transformator, Drossel, Aktuator) liegt.

5. Schaltung gemäss Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass sie In einem Blind- leistungskompensator eingebaut ist.

6. Schaltung gemäss Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Veränderung eines Betriebskondensator (z. B. Filter verwendet wird).

7. Schaltung gemäss Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Stabilisierung der Spannung an Kapazitäten (z B bei kapazitiven Spannungsteilern, Fig. 3) verwendet wird.

8. Schaltung gemäss Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (3) durch eine bidirektionale Wandlerstruktur (Fig. 2) realisiert ist, deren Wechselspannungs- seite parallel zum Kondensator (2) liegt und an deren Gleichspannungsseite ein Konden- sator liegt.