AT409690B

AT409690B - Wechselrichter mit geteilter eingangsinduktivität zur stromeinspeisung für insel- und netzbetrieb

Info

Publication number: AT409690B
Application number: AT0194297A
Authority: AT
Inventors: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss; Karl Dipl Ing Dr Tec Edelmoser
Original assignee: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Priority date: 1997-11-17
Filing date: 1997-11-17
Publication date: 2002-10-25
Also published as: ATA194297A

Description


   <Desc/Clms Page number 1> 
 



   Die Erfindung bezieht sich auf eine Wandlerschaltung zur Umformung von Gleichspannungen   (Uoc) in Wechselstrome (Ic)   mit Hilfe eines Transformators (Tr) mit geteilter Primärwicklung, einer angezapften Induktivität (L) mit   Freilaufdiode   (D) und zwei Leistungsschaltern (S1,   Sus).   



   Die   Eingangsgleichspannung (Uoc)   kann je nach Anwendungsfall von einer   Battene,     Solarzel-   len, Brennstoffzellen geliefert werden, oder durch Gleichrichtung aus dem Ein- oder Mehrphasennetz, bzw. durch Gleichrichtung der Ausgangsspannung von Wechsel- oder Drehstromgeneratoren und anschliessender, eventuell auch nur grober Filterung, gewonnen werden. 



   Besonders vorteilhaft bei der hier besprochenen Schaltung ist die Tatsache, dass aus einer Eingangsgleichspannung Ausgangsstrome unterschiedlicher Polarität und ebenso durch entsprechende Ansteuerung Wechselströme beliebiger Form (Mittelwert muss null sein) erzeugt werden können. Ein besonders interessantes Anwendungsgebiet der gegenständlichen Schaltungen Ist die Einspeisung von   z. B.   mit Solarzelle gewonnener elektrischer Energie in ein Einphasenwechsel- 
 EMI1.1 
 ! nusströmen rmtliegen in der Realisierung hochdynamischer Ansteuerungen für Aktuatoren und Leistungsverstärker, sowie der Verwendung als Quelle in aktiven Kapazitäten. 



   Aus EP 0 303 994 A2 (NIPPON TELEGRAPH AND TELEPHONE CORP. ) ist ein Gegentakt-   Gleichstromwandler   bekannt, an dessen Eingang ein Sperrwandler geschaltet   1St.   (Dies ist ein Transformator mit zwei galvanisch getrennten Wicklungen, wobei in den Sekundärkreis eine Diode in der Art eingebaut ist, dass, solange Strom durch die Primärwicklung   fliesst,   kein Strom durch die Sekundärwicklung fliessen kann. Beim Abschalten des Stromes in der Primärwicklung kommutiert der Strom entsprechend dem Windungsverhältnis in die Sekundärwicklung und baut sich über die Diode und die Eingangsgleichspannung ab.

   Im Anspruch 1 wird die Schaltung beschrieben, in den restlichen Ansprüchen (2 bis 14) werden Methoden zur Verringerung der   Induktivität   des Gegentakt-Transformators (push-pull transformer) patentiert. 



   Bei der gegenständlichen Erfindung liegt der Schwerpunkt auf der in Serie mit der Eingangsquelle   UDc   und dem Mittelpunkt des Trafos geschalteten geteilten Eingangsinduktivität Durch diese Realisierung entstehen prinzipiell zwei neue stromgespeiste Konverterstrukturen. Vorteilhaft gegenüber der Losung mit einem Transformator Ist, dass keine galvanische Trennung, sondern nur eine Spulenanzapfung benötigt wird. Dies führt zu einer Preisreduktion bei der Fertigung. Es genugen drei nach aussen wirkende Klemmen dieses induktiven Bauteils Im Gegensatz zu vier bei der   Transformatorlösung.   



   Figur 1 zeigt die Grundschaltung des Wechselrichters mit geteilter   Eingangsinduktivität.   In Fig. 2 sind die auftretenden Schaltungsmoden gezeichnet, in Fig. 3 ist eine Modifikation der Grundschaltung und In Fig. 4 sind die Transistoren durch eine Schutzbeschaltung   spannungsmässlg   entlastet. 



   Figur 1 zeigt eine Wandierschaltung zur Umformung einer Gleichspannung (Uoc) in Wechselströme   (iAc)   mit Hilfe eines Transformators mit geteilter Primärwicklung (Tr), einer geteilten Induktivität (L, bestehend aus LA und LB), einer Diode (D) und zwei Schaltern (S1, S2), wobei die   äusseren   Klemmen der Primärseite des Transformators (Tr) über jeweils einen Schalter   (S,   bzw.

   S2) mit dem negativen Anschluss der Quelle (Uoc) verbunden sind und die Last (La) an die sekundäre Transformatorwicklung angeschlossen ist wobei, die positive Klemme der Quelle (UDC) mit einer Anzapfung (Klemme A) der geteilten Induktivität (L) verbunden ist, die Klemme (2) der geteilten Induktivität (L) mit dem Mittelpunkt (M) der   Primärwicklung   des Transformators (Tr) verbunden ist und die Kathode der Diode (D) mit der Klemme (1) der angezapften   Induktivität   (L), bzw. die Anode der Diode (D) mit dem negativen Anschluss der Quelle (UDc) verbunden ist. 



   Die Funktionsweise der Schaltung wird nun anhand von Fig. 2 besprochen, wobei beispielhaft selbstsperrende MOSFETs als aktive Schalter   (Si, S2)   gezeichnet sind. 



   Für die positive Halbwelle im Ausgangsstrom   (iAC)   wird In der Treibphase der Schalter (S1) eingeschaltet. Der Stromfluss auf der Primarselte erfolgt gemass Fig. 2. a aus der Quelle (UDC) über die Induktivitat (L, Teilzweig LB), den Transformator (Tr) und dem Schalter (S1). Der Strom steigt. Wird nun der Schalter (S1) ausgeschaltet, so erfolgt ein Freilauf gemäss Fig. 2. b, d. h der Strom kommutiert in den Diodenzweig (D) und magnetisiert über die Teilwicklung (LA) ab. Die Flussrichtung Im Transformator ändert sich zwischen Fig. 2. a und Fig. 2 b nicht. Während der Erzeugung der positiven Halbwelle des Ausgangsstromes wechseln die beiden Zustände alternierend ab. Die In der 

 <Desc/Clms Page number 2> 

 Haupinduktivität des Transformators (Tr) gespeicherte Energie wird im Freilauffall in den Kondensator (C) bzw. in den Lastkreis (La) abgegeben. 



   Für die negative Halbwelle im Ausgangsstrom   (BAC)   wird in der Treibphase der Schalter   (S2)   eingeschaltet Der   Stromfluss   auf der Primärseite erfolgt gemäss Fig. 2. c aus der Quelle (UDC) über die Induktivität (L, Teilzweig   La),   den Transformator (Tr) und dem Schalter (S2). Der Strom nimmt betragsmässig zu. Wird nun der Schalter (S2) ausgeschaltet, so erfolgt ein Freilauf gemäss Fig. 2 d,   d. h.   der Strom kommutiert in die Freilaufdiode (D) und magnetisiert über die Teilwicklung (LA) ab. Die Flussrichtung im Transformator ändert sich zwischen Fig. 2. c und Fig. 2. d nicht. Während der Erzeugung der negativen 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 die Lastkreis (La) abgegeben. 



   Zur Verbesserung des Wirkungsgrades kann die Freilaufdiode noch durch einen aktiven Schalter überbrückt werden. Man benötigt aber dann denn zusätzlichen Aufwand einer entsprechenden Steuerstufe. 



   Figur 3 zeigt eine Modifikation der Grundschaltung gemäss Fig. 1. Dabei ist die Anzapfung der geteilten Induktivität (L) mit dem Mittelpunkt (M) der   Primärwicklung   des Transformators (Tr) verbunden ist und die Wicklungsanfänge der Teilwicklungen der angezapften Induktivität (L) einerseits mit der positiven Klemme der Quelle (UDC) und andererseits mit der Kathode der Diode (D) verbunden sind. 



   In Fig. 4 ist eine Möglichkeit zum Schutz der Schalttransistoren vor Uberspannungen gezeichnet. Die in den Streuinduktivitäten des Transformators (Tr) gespeicherte Energie führt zu Überspannungen an den aktiven Schaltern (S1,   Sz).   Diese sollten daher durch ein Spannungsbegrenzernetzwerk geschützt werden   (Dsi,   DS2, Rs, Cs). Die in den Streuinduktivitäten gespeicherte Energie wird über die entsprechende Diode   (dus1,   DS2) an den Kondensator C abgegeben, die Spannung steigt daher am Kondensator Cs an. Zur Begrenzung der Spannung dient der Widerstand Rs, an dem die Überschussenergie in Wärme umgewandelt wird. 



   Durch den primärseitigen Blockstrom im Transformator wird derselbe mit Schaltfrequenz beansprucht und muss daher vom Kernmaterial bzw. von der Wicklung entsprechen ausgelegt werden
Als Filter des Ausgangsstromes wird der Kondensator (C) parallel zur Sekundärwicklung des Transformators (Tr) geschaltet. 

**WARNUNG** Ende DESC Feld kannt Anfang CLMS uberlappen**.

Claims

Bezugszeichenaufstellung Uoc Eingangsgieichspannung S1 aktiver Halbleiterschalter S2 aktiver Halbleiterschalter L Induktivität C Kondensator D Diode Tr Transformator La beliebige Last : z. B. auch Emphasennetz, Maschinen, Aktuatoren, Gleichrichter mit ange- schlossenem beliebigem Verbraucher (1) Klemme der Induktivität (L) (2) Klemme der Induktivität (L) (A) Klemme der Induktivität (L), Verbindung der beiden Teilwicklungen (M) Mittelpunkt der Primärwicklung des Transformators (Tr) bzw. Verbindungspunkt der zwei getrennten Primärspule PATENT ANSPRÜCHE : 1.

Wandlerschaltungen zur Umformung einer Gleichspannung (UDc) in Wechselströme (iAc) mit Hilfe eines Transformators mit geteilter Primärwicklung (Tr), einer geteilten Induktivität (L, bestehend aus LA und La), einer Diode (D) und zwei Schaltern (S1, S2), wobei die ausse- ren Klemmen der Primärseite des Transformators (Tr) über jeweils einen Schalter (S, bzw. <Desc/Clms Page number 3>

S2) mit dem negativen Anschluss der Quelle (UDC) verbunden sind und die Last (La) an die sekundäre Transformatorwicklung angeschlossen ist dadurch gekennzeichnet, dass die positive Klemme der Quelle (Uoc) mit einer Anzapfung (Klemme A) der geteilten induktiv- tät (L) verbunden ist, die Klemme (2) der geteilten Induktivität (L) mit dem Mittelpunkt (M) der Primärwicklung des Transformators (Tr) verbunden Ist und die Kathode der Diode (D) mit der Klemme (1) der angezapften Induktivität (L), bzw. die Anode der Diode (D) mit dem negativen Anschluss der Quelle (Uoc) verbunden 1St.
2 Wandlerschaltungen gemäss Anspruch 1 jedoch dadurch gekennzeichnet, dass die An- zapfung der geteilten Induktivität (L) mit dem Mittelpunkt (M) der Primärwicklung des Transformators (Tr) verbunden ist und die Wicklungsanfänge der Teilwicklungen der ange- zapften Induktivität (L) einerseits mit der positiven Klemme der Quelle (Uoc) und anderer- seits mit der Kathode der Diode (D) verbunden sind. (Fig.
3) 3. Wandlerschaltungen gemäss Anspruch 1 bzw. 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Frel- laufdiode (D) durch einen aktiven Schalter überbrückt wird.
4. Wandlerschaltungen gemäss Anspruch 1 bzw. 2,3 dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung als Netzsimulator bzw. als Wechselstromquelle verwendet wird.
5. Wandlerschaltungen gemäss Anspruch 1 bzw. 2, 3 dadurch gekennzeichnet, dass als Ein- gangsspannung ein gleichgerichtetes Wechselnetz verwendet wird und durch entspre- chende Taktung dem Netz ein gewünschter Stromverlauf entnommen wird (Power Factor Corrector).
6. Wandlerschaltungen gemäss Anspruch 1 bzw. 2,3 dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung als Quelle in einer elektronisch veränderbaren Kapazität (gemäss A 860/97) ver- wendet wird
7. Wandlerschaltungen gemäss Anspruch 1 bzw. 2,3 dadurch gekennzeichnet, dass als Last (La) ein Aktuator oder ein Lautsprecher mit eventuell vorgeschaltetem Filter verwendet wird.
8. Wandlerschaltungen gemass Anspruch 1 bzw. 2,3 dadurch gekennzeichnet, dass an der Sekundärseite, der Ausgangsseite, des Trafos (Tr) als Last (L) ein Wechselspannungsnetz angeschlossen zist, doh eine Einspeisung ins Netz erfolgen kann.