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Die Erfindung bezieht sich auf Wandlerschaltungen zur Umformung von Gleichspannungen in Mehrphasenspannungen an einer Last mit Hilfe spannungskompens ! erter D-Verstarker, aufgebaut mit komplementar angesteuerten strombid ! rekt ! ona ! en Schaltern (Antiparallelschaltung eines aktiven Halbleiterschalters wie Blpolartransistor, MOSFET, IGBT, GTO, MCT, SIT (h) mit einem passiven Schalter (Diode)) und In Reihe geschalteten Filtern und Kompensationseinrichtungen.
Die Betriebsgleichspannung kann je nach Anwendungsfall von einer Batterie, Solarzelle, Brennstoffzellen geliefert werden, oder durch Gleichrichtung aus dem Eln- oder Mehrphasennetz, bzw. durch Gleichrichtung der Ausgangsspannung von Wechsel- oder Drehstromgeneratoren und anschliessender, eventuell auch nur grober Filterung, gewonnen werden
Zur Realisierung einer Dreiphasenquelle werden drei D-Verstarker verwendet. In diesen wird mit Hilfe verschiedener Modulationsverfahren z. B.
Pulsbreitenmodulation, Sigma-Delta Modulation aus dem Referenzsignal (Um) (bzw. einem digital übermittelten Vorgabewert, der dann direkt weiter verarbeitet werden kann) ein digitales Signal erzeugt, das mit Hilfe einer (Halb- oder Voll-) Bru- ckenschaltung in der Amplitude verstärkt wird und In einer anschliessenden Filterstufe In das gewünschte, verstarkte Analogsignal umgeformt wird. Verwiesen sei in diesem Zusammenhang auf den Artikel "Multi-purpose Half-Bridge DC-AC Converter, Hlmmelstoss, F. A & K. H. Edelmoser, INTELEC'95, Oct. 29 - Nov. 1, 1995, The Hague, The Netherlands, pp. 684 - 689".
Einen Überblick
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Modulators for High Frequency Power Electronics Applications, Glen Lucjjiff, lan Dobson & Deepak Divan, PESC'95, Atlanta, pp. 444-449". Weiters sei auf einen im Artikel Class-D Amplifier Simulation Problems, Hlmmelstoss, FA & K. H.
Edelmoser, IPEC-Yokohama'95, April 3-7, 1995, Yokohama, Japan, pp. 255-258"untersuchten D-Verstärker hingewiesen
Als Referenzspannung dient bei der Erzeugung einer Drelphasenspannung ein Stnussigna ! (oder bei der Anwendung als Drehstrommotoransteuerung kann auch eine Spannung mit bestimmtem Oberschwingungsanteil verwendet werden), das als Referenzwert für die einzelnen Phasen entsprechend phasenverschoben ist, damit ein symmetrisches Drehstromsystem entsteht Es kann natürlich auch jede Phase einzeln geregelt werden. Das Verfahren ist natürlich nicht auf Dreiphasensysteme begrenzt. Es lasst sich auf alle Mehrphasensysteme anwenden.
Besonders vorteilhaft bel der hier besprochenen Schaltung ist die Tatsache, dass durch entsprechende Ansteuerung Spannungen beliebiger Form erzeugt werden konnen. Ebenso ist das System geeignet, Sinusspannungen und Trapezspannungen mit vorgebbarer Frequenz zur Ansteuerung von Drehstrommaschinen zu verstarken und den erforderlichen Filteraufwand zu reduzieren. Eine weitere Anwendung kann in der Realisierung von hochqualitativen dreiphasigen Netzspannungssimulatoren liegen.
Im Gegensatz zu klassischen D-Verstärkern, wo die Last ein fixer, in seinen Parametern nur sich gering ändernder Lautsprecher ist, ändert sich die Last bei Betrieb als Spannungsquelle Je nach Anwendung und auch entsprechend der Zeit. Um die erforderliche Kompensationsspannung klein zu halten, muss das Lastverhalten In die Sollwertbildung des Reglers miteinbezogen werden Anderseits ist bei der Anwendung als Spannungsquelle der Frequenzbereich limitiert. Bel der Erzeugung eines Inselnetzes bzw. bel der Einspeisung in ein bestehendes Mehrphasennetz ist die Frequenz fix, bel der Versorgung von drehzahlvariablen Antrieben ist der Frequenzbereich (verglichen mit Audioanwendungen) klein.
In EP 0554903 A2 (TOSHIBA) werden verlustarm Entlastungsnetzwerke zur Beschaltung von abschaltbaren Thyristoren behandelt Das Entlastungsverfahren wird auch bei dreiphasigen Um- nchtern angewendet. Es wird dabei im Entlastungsnetzwerk eine Stromquelle benutzt. Diese dient jedoch nur zur Entlastung. In der gegenständlichen Erfindung wird jedoch der Fehler der Ausgangsspannung eines drei-oder mehrphasigen Umrichters durch eine gesteuerte Strom- bzw gesteuerte Spannungsquelle kompensiert
Aufbauend auf AT 405705 B wird das Verfahren auf Mehrphasenspannungen ausgeweitet. Die Kompensationsquelle wird als Spannungsquelle in Serie mit der Ausgangsspannung (Fig. 1) einer Halbbrücke mit Ausgangsfilter bzw. als Stromquelle parallel (Fig 2) geschaltet. Die Bilder zeigen den Aufbau einer Drelphasenquelle.
Die Blider zeigen eine Drelphasenqueile mit Spannungskompensation (Flg. 1) bzw. mit Stromkompensation (Fig. 2) beispielhaft aus MOSFET Halbbrücken aufgebaut Figur 3 zeigt den grund- satzhchen Aufbau fur eine Phase, wie er fur konstante Lasten sinnvoll Ist Hat man veränderliche
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Lasten, so ist es sinnvoll, den Kompensator entsprechend der Last zu adaptieren (Fig.4). Schliess- lich stellt Fig. 5 die Regeleinnchtung samt Adaption dar. Um kleinere Kompensationssignale zu erhalten, wird die Last in die Filternachbildung im Sollwertpfad einbezogen. Figur 6 stellt allgemein eine geschaltete Dreiphasenquelle mit Glättungsfiltern und Kompensatoren dar.
Figur 5 zeigt den Aufbau einer Phase des gegenständlichen Systems. Das zu verstärkende Signal (Um) wird neben der Modulationseinheit (3) zur Erzeugung des digitalen Signals einer Filternachbildung (9) mit angeschlossener Verzogerung (10) zur Erzeugung des Sollwerts (Uso,,) für den Regler (11) zugeführt. Durch diese Einrichtung wird die Signalverzögerung des Digitalverstärkers (darunter wird Modulationseinheit (3), Leistungs-Brückenschaltung (1) und Ausgangsfilter (2) verstanden) ausgeglichen. Der so erzeugte Sollwert (sod) wird mit dem reduzierten Spannungssignal (ULast) der Last (Uout) als Istwert verglichen (Messwerterfassung (12)) und einem Regler (11) zugeführt. Die Verwendung der Filternachbildung (9), sowie die Laufzeitkompensation (10) ist für die Funktion massgeblich.
Der Regler (11) steuert dann die Kompensationsspannungsquelle (7).
Bei stark variablen Lasten (z. B. bei der Verwendung als allgemeines Mehrphasennetz) wird die Last identifiziert und die Filternachbildung (9) mit Hilfe der Adaptionsvorrichtung (14) entsprechend verändert. Dies führt zu einer Verringerung der erforderlichen Kompensationsleistung.
Die Kompensationsquelle (7) kann z. B. mit einer analogen komplementären Gegentaktendstufe, durch einen Analogverstärker, dessen Ausgangsspannung mit Hilfe eines Transformators eingekoppelt wird, bzw. durch einen entsprechend hochdynamisch gestalteten weiteren D-Verstärker oder Schaltnetzteil (zur Erhöhung der Dynamik auch bidirektional) realisiert sein. Als besonders vorteilhaft ist die Tatsache anzusehen, dass die von der Kompensationsquelle (7) aufzubringende Leistung nur einige Prozent der Gesamtleistung beträgt. Dies führt zu einem entsprechend hohen Wirkungsgrad der Gesamtanordnung.
Bei der praktischen Realisierung kann sowohl der Modulatorteil (3), als auch der Regler (8) für die Kompensationsspannungsquelle (bestehend aus Filternachbildung (9), Zeitverzögerung (10), Soll-Ist-Vergleich (13) und Regler (11)) digital mit einem Signalprozessor erzeugt werden. Ebenso kann die Optimierung des Reglers bzw. die Bestimmung der optimalen Verzögerungszeit bei der ersten Inbetriebnahme mit einer bestimmten Last mit Hilfe des Prozessors durchgeführt werden, bzw mit Hilfe einer Adaption während des Betriebes selbsttätig optimiert werden.
Die Schaltfrequenz wird dem Anwendungszweck entsprechend gewählt, wobei eine höhere Frequenz eine Verringerung des Ausgangsspannungsrippels und daher eine geringere Kompensationsspannung (kleinere Leistung, die vom analogen Verstärkerteil aufgebracht werden muss) mit sich bringt und auch in Hinblick auf die Dimensionierung des Ausgangsfilter (Drosseln und Kondensatoren) zweckmässig ist
PATENTANSPRÜCHE :
1.
Anordnung zur Erzeugung von Mehrphasenquellen, bestehend aus strombidirektionalen getakteten Halbbrucken mit Filtern und im Verhältnis dazu hochdynamischen Quellen mit
Regelvorrichtungen zur Erzeugung einer dem Steuersignal (analoge Eingangsspannung oder digitaler Vorgabewert) proportionalen Ausgangsspannung, dadurch gekennzeich- net, dass in Serie zum jeweiligen Phasenverstärker, der aus einer Halbbrücke mit nachge- schaltetem Ausgangsfilter besteht, eine geregelte Spannungsquelle angeordnet ist bzw. parallel zum jeweiligen Phasenverstärker, der aus einer Halbbrücke mit nachgeschaltetem
Ausgangsfilter besteht, eine regelbare Stromquelle parallel geschaltet ist.
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The invention relates to converter circuits for converting DC voltages into multiphase voltages on a load with the aid of voltage compensation! first D-amplifier, built with complementary controlled current! right! ona! en switches (anti-parallel connection of an active semiconductor switch such as blpolar transistor, MOSFET, IGBT, GTO, MCT, SIT (h) with a passive switch (diode)) and filters and compensation devices connected in series.
Depending on the application, the operating DC voltage can be supplied by a battery, solar cell, fuel cell, or by rectification from the eln or multi-phase network, or by rectification of the output voltage from AC or three-phase generators and subsequent, possibly only coarse, filtering
Three D amplifiers are used to implement a three-phase source. In these, using various modulation methods such. B.
Pulse width modulation, sigma-delta modulation from the reference signal (Um) (or a digitally transmitted default value, which can then be directly processed further) generates a digital signal which is amplitude-controlled using a (half or full) bridge circuit is amplified and converted into the desired amplified analog signal in a subsequent filter stage. In this context, reference is made to the article "Multi-purpose Half-Bridge DC-AC Converter, Hlmmelstoss, F. A & KH Edelmoser, INTELEC'95, Oct. 29 - Nov. 1, 1995, The Hague, The Netherlands, pp 684-689 ".
An overview
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Modulators for High Frequency Power Electronics Applications, Glen Lucjjiff, lan Dobson & Deepak Divan, PESC'95, Atlanta, pp. 444-449 ". Furthermore, refer to an article in the Class-D Amplifier Simulation Problems, Hlmmelstoss, FA & K.H
Edelmoser, IPEC-Yokohama'95, April 3-7, 1995, Yokohama, Japan, pp. 255-258 "examined D-amplifier pointed out
A reference signal is used as the reference voltage when generating a three-phase voltage! (or when using a three-phase motor control, a voltage with a certain harmonic component can be used), which is phase-shifted as a reference value for the individual phases, so that a symmetrical three-phase system is created. Of course, each phase can also be controlled individually. The process is of course not limited to three-phase systems. It can be applied to all multiphase systems.
A particularly advantageous feature of the circuit discussed here is the fact that voltages of any shape can be generated by appropriate control. The system is also suitable for amplifying sinusoidal voltages and trapezoidal voltages with a predefinable frequency for controlling three-phase machines and reducing the filtering effort required. Another application can be the implementation of high quality three-phase mains voltage simulators.
In contrast to classic D-amplifiers, where the load is a fixed loudspeaker, the parameters of which change only slightly, the load changes during operation as a voltage source depending on the application and also according to the time. In order to keep the required compensation voltage low, the load behavior must be included in the setpoint formation of the controller. On the other hand, the frequency range is limited when used as a voltage source. The frequency is fixed when generating an island network or feeding it into an existing multiphase network; the frequency range (compared to the supply of variable-speed drives) is small (compared to audio applications).
EP 0554903 A2 (TOSHIBA) deals with low-loss relief networks for connecting thyristors that can be switched off. The relief method is also used for three-phase converters. A power source is used in the relief network. However, this is only for relief. In the present invention, however, the error in the output voltage of a three-phase or multi-phase converter is compensated for by a controlled current or voltage source
Building on AT 405705 B, the process is extended to multiphase voltages. The compensation source is connected as a voltage source in series with the output voltage (FIG. 1) of a half bridge with output filter or as a current source in parallel (FIG. 2). The pictures show the structure of a three-phase source.
The bliders show a three-phase source with voltage compensation (Flg. 1) or with current compensation (Fig. 2) made up of MOSFET half bridges as an example. Figure 3 shows the basic structure for a phase as it makes sense for constant loads
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Loads, it makes sense to adapt the compensator according to the load (Fig. 4). Finally, FIG. 5 shows the control device including the adaptation. In order to obtain smaller compensation signals, the load is included in the filter simulation in the setpoint path. Figure 6 generally represents a switched three phase source with smoothing filters and compensators.
FIG. 5 shows the structure of a phase of the system in question. In addition to the modulation unit (3) for generating the digital signal, the signal (Um) to be amplified is fed to a filter simulation (9) with a connected delay (10) for generating the setpoint (Uso ,,) for the controller (11). This device compensates for the signal delay of the digital amplifier (including modulation unit (3), power bridge circuit (1) and output filter (2)). The setpoint (sod) generated in this way is compared with the reduced voltage signal (ULast) of the load (Uout) as the actual value (measured value acquisition (12)) and fed to a controller (11). The use of the filter simulation (9) and the runtime compensation (10) is decisive for the function.
The controller (11) then controls the compensation voltage source (7).
In the case of highly variable loads (e.g. when used as a general multiphase network), the load is identified and the filter simulation (9) is changed accordingly using the adaptation device (14). This leads to a reduction in the compensation power required.
The compensation source (7) z. B. with an analog complementary push-pull output stage, by an analog amplifier, the output voltage of which is coupled in with the aid of a transformer, or by an appropriately highly dynamic further D-amplifier or switching power supply (to increase the dynamics also bidirectionally). The fact that the power to be applied by the compensation source (7) is only a few percent of the total power is particularly advantageous. This leads to a correspondingly high efficiency of the overall arrangement.
In practical implementation, both the modulator part (3) and the controller (8) for the compensation voltage source (consisting of filter simulation (9), time delay (10), target-actual comparison (13) and controller (11)) can be digital be generated with a signal processor. Likewise, the optimization of the controller or the determination of the optimal delay time when starting up for the first time with a certain load can be carried out with the help of the processor, or can be optimized automatically with the aid of an adaptation during operation.
The switching frequency is selected according to the application, with a higher frequency resulting in a reduction in the output voltage ripple and therefore a lower compensation voltage (smaller power that has to be applied by the analog amplifier part) and also with regard to the dimensioning of the output filter (chokes and capacitors) is appropriate
PATENT CLAIMS:
1.
Arrangement for generating multi-phase sources, consisting of current-bidirectional clocked half bridges with filters and, in relation to this, highly dynamic sources with
Control devices for generating an output voltage proportional to the control signal (analog input voltage or digital default value), characterized in that a regulated voltage source is arranged in series with the respective phase amplifier, which consists of a half-bridge with a downstream output filter, or parallel to the respective phase amplifier which consists of a half bridge with downstream
Output filter exists, a controllable current source is connected in parallel.