AT413912B

AT413912B - Vorrichtung zur umwandlung einer unipolaren eingangsspannung in zwei symmetrische, unipolare spannungen mit gekoppelter wandlerspule

Info

Publication number: AT413912B
Application number: AT0012104A
Authority: AT
Inventors: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss; Karl Dipl Ing Dr Edelmoser
Original assignee: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2006-07-15
Also published as: ATA1212004A

Description

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AT 413 912 B

Die Erfindung dient zur Umformung einer unidirektionalen Eingangsspannung in zwei, in Bezug auf die Eingangsspannung symmetrische Ausgangsspannungen. Dies ist besonders bei der Realisierung von Wechselspannungen von großem Nutzen, da der dann erforderliche Wechselrichter sehr einfach gestaltet werden kann. Auch beim Betrieb von Klasse D-Verstärkern, von 5 Mehrquadrantenantrieben für Gleichstrommaschinen oder Aktuatoren kann es sehr sinnvoll sein, symmetrische Versorgungsspannungen zu verwenden. Die symmetrische Spannung ist über das Tastverhältnis des Schalters S1 variierbar.

In JP 09-065655A (TOHOKU RICOH CO LTD) ist ein Gleichstromwandler mit zwei in Serie io geschalteten Spulen zur Erhöhung des Stromflusswinkels in der vorgeschalteten Gleichrichterbrücke dargestellt. Die beiden Spulen sind nicht miteinander verkoppelt und es können nicht zwei verschiedene symmetrische Spannungen erzeugt werden.

Das besonders Interessante an der gegenständlichen Erfindung ist, dass mit nur einem aktiven 15 Schalter gleichzeitig zwei symmetrische Spannungen, eine positive und eine in Bezug auf Masse negative Spannung erzeugt werden kann. Dies erleichtert die anschließende Wechselrichtung, da damit ein Mittelpunkt vorhanden ist. Es genügen daher in Summe nur 3 aktive Schalter, um aus einer einfachen Gleichspannung ein Einphasenwechselnetz zu erzeugen. Da die erste Stufe sowohl Hoch und Tiefsetzen kann, ist ein zusätzlicher Freiheitsgrad in der Ansteue-20 rung vorhanden, der die Schaltverluste in der Wechselrichterstufe vermindern kann, da die von der ersten Stufe generierte Spannung entsprechend der erforderlichen Netzspannung gestellt werden kann. Daher erscheint die Kombination von an sich bekannten Wechselrichterstufen mit der in der gegenständlichen Erfindung dargestellten Umformerstufe einen zusätzlichen Kombinationseffekt zu bringen. Durch Vervielfachung der Wechselrichterstufen lässt sich prinzipiell ein 25 Mehrphasennetz erzeugen. Hier ist aber durch die erforderliche gute Kopplung die Leistung pro Phase dann relativ gering, aber für mehrphasige Schrittmotoren und kleine Synchronmotoren sehr wohl von Interesse.

Figur 1 zeigt das Grundkonzept des hier vorgeschlagenen Gleichstromwandlers zur Erzeugung 30 von symmetrischen, unipolaren Ausgangsspannungen. Figur 2 zeigt die Erweiterung mit einem Wechselrichter. Figur 3 zeigt eine Erweiterung zu einem n-phasigen Wechselrichter und Fig. 4 zeigt die Verwendung als Klasse D-Verstärker.

Durch den Kondensator C|N wird sichergestellt, dass die Eingangsspannung U|N für die Schalt-35 frequenz eine niederimpedante Quelle darstellt. Als Speicherelement für die Energietransformation dient das aus zwei Wicklungen am selben Magnetkern gebildete gekoppelte Spulenpaar La und Lb. Ist der aktive Schalter St geschlossen, so wird Energie aus der Quelle entnommen und in Form von magnetischer Energie mit Hilfe der Wicklung La im Magnetkreis gespeichert, öffnet der aktive Schalter S^ so kann sich der Kern über D2, den Kondensator Ca und die Wicklung Lb 40 entmagnetisieren, an der Wicklung La wird durch die transformatorische Kopplung eine Spannung aufgebaut; ist diese (um die Flussspannung größer) als die Spannung an Cb, so schaltet die Diode Dt ein und bietet eine zweite Entmagnetisierungsmöglichkeit. Wenn die Spannung an Ca und Cb, die Kapazitätswerte und die Windungszahlen der beiden Wicklungen gleich sind, so reduziert sich der Strom, der in die Teilwicklung La fließt, schlagartig, da nun zum Aufrechthal-45 ten des magnetischen Flusses beide Teilwicklungen in Serie geschaltet sind und daher ein entsprechend geringerer Strom erforderlich ist. Der Magnetkreis gibt so seine in magnetischer Form gespeicherte Energie an die Kondensatoren (und die parallel liegende Last) ab. Durch die Kopplung der Spulen erfolgt eine aktive Symmetrierung der Spannungen an den beiden Kondensatoren Ca und Cb. Damit ergibt sich ein breites Anwendungsgebiet der Schaltung. In Mo-50 torsteuerungen, Klasse D-Verstärkern benötigt man oft eine Spannungsversorgung mit Mittelanzapfung. Mit der gegenständlichen Schaltung ist es möglich, sowohl die Gesamtspannung U0CL über das Tastverhältnis d nach 55

Udcl = 2 · ^ ^ · U,N

Claims

3 AT 413 912 B zu stellen, als auch gleichzeitig die Spannungen symmetrisch zu halten. Als Eingangsspannung kann man auch das gleichgerichtete Einphasennetz benutzen und so die Schaltung als Power Factor Corrector (PFC) nutzen. 5 Die Schaltung lässt sich auch leicht mit einem Wechselrichter zur Einspeisung in das Ein- oder Mehrphasennetz kombinieren. Figur 2 zeigt so eine Erweiterung, bestehend aus zwei asymetri-schen Halbbrücken, an deren Mittelpunkten jeweils über eine Induktivität (U, U) die Last, z. B. das Einphasennetz, angeschlossen ist. 10 Um eine hohe Kopplung zwischen den Teilwicklungen La und Lb zu erzielen, wird man diese auf sinnvolle Weise als bifilare Wicklungen ausführen. Es ist auch möglich, durch Benutzung von Entlastungsnetzwerken oder quasiresonantem 15 Schalten die Verlustleistung zu reduzieren. Die Schaltfrequenz wird dem Anwendungszweck entsprechend gewählt, wobei eine höhere Frequenz in Hinblick auf die Dimensionierung der Drosseln und Kondensatoren zweckmäßig ist. Bezugszeichenaufstellung UlN Eingangsspannung Udcl Zwischenkreisspannung gesamt +UZK (Klemme) positive Zwischenkreisspannung -UZK (Klemme) negative Zwischenkreisspannung S1.S2.S3 aktive Schalter L?1,D2,D3,D4 passive Schalter i-ati-b gekoppelte Induktivität Lc, L(j Induktivität ClN Kondensator Ca,Cb Kondensator Um Wechselrichterausgangsspannung (A) Anschlusspunkt für die Last (S„,Dn^l,D21), (S-\n, An\S2n,D2n) strombidirektionale Schalter (Sn,S2l),...(Sin,S2n) aktive Schalter (Dii,D2i),...(D1n,D2n) passive Schalter (A-\0,A2o, Ano) Ausgangsklemmen L Lautsprecher 40 Patentansprüche: 1. Wandlerschaltung zur Umformung einer unipolaren Spannung (l//W) in zwei symmetrische Spannungen mit Hilfe eines aktiven Schalters (S^, zwei passiven Schaltern (D^,D2), zwei Kondensatoren (Ca,Cb) und zwei gekoppelten, gleichsinnig gewickelten Induktivitäten 45 (La,Lb), dadurch gekennzeichnet, dass der Pluspol der Eingangsspannung (UtN) mit dem positiven Anschluss des aktiven Schalters (S^ verbunden ist, der negative Anschluss dieses aktiven Schalters (S^ mit dem Wicklungsanfang einer Wicklung der gekoppelten Spule (La) verbunden ist, deren Wicklungsende mit dem Wicklungsanfang der zweiten Wicklung der gekoppelten Spule (Lb) und mit dem Bezugspunkt der Schaltung verbunden ist, das so Windungsende der zweiten Wicklung der gekoppelten Spule (Lb) ist mit der Anode einer ersten Diode (D2) verbunden, an deren Kathode die positive Anschlussklemme der Ausgangsspannung (+Uzk) und ein gegen Masse geschalteter erster Kondensator (Ca) angeschlossen ist und an den Verbindungspunkt vom aktiven Schalter (S^ und erster Teilwicklung (L8) die Kathode einer zweiten Diode (D^, deren Anode sowohl mit der negativen An-55 schlussklemme der Ausgangsspannung (-UZk) als auch mit einem, gegen Masse geschal- 4 AT 413912 B teten, zweiten Kondensator (Cö), verbunden ist, geschaltet ist.
2. Wandlerschaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Eingangsspannung (UiN) ein Kondensator (C,w) geschaltet ist. 5
3. Wandlerschaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsspannung (Um) durch Gleichrichtung eines Einphasenwechselnetzes erzeugt wird.
4. Wandlerschaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass an die positi-io ve Klemme der Ausgangsspannung (+UZK) ein zweiter aktiver Schalter (S2), an dessen anderen Anschluss die Kathode einer, mit der negativen Klemme der Ausgangsspannung (-UZk) verbundenen dritten Diode (D3) und eine dritte Induktivität (Lc) geschaltet ist, und ein vierter passiver Schalter (D4), an dessen Anode ein ebenfalls mit der negativen Klemme der Ausgangsspannung (-UZk) verbundener dritter aktiver Schalter (S3) und eine vierte In- 15 duktivität (Ld) geschaltet ist, wobei die anderen Anschlussklemmen der dritten und vierten Induktivitäten (Lc,Ld) den Anschlusspunkt (A) für die Last bilden.
5. Wandlerschaltung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Anschlusspunkt für die Last (A) und Last ein Filter geschaltet ist. 20
6. Wandlerschaltung nach Anspruch 4 und 5 dadurch gekennzeichnet, dass als Last ein einphasiges Wechselnetz verwendet wird.
7. Wandlerschaltung nach Anspruch 4 und 5 dadurch gekennzeichnet, dass als Last ein 25 Lautsprecher verwendet wird.
8. Wandlerschaltung nach Anspruch 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass als Last ein Aktuator verwendet wird.
9. Wandlerschaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen positiver Klemme (+UZK) und negativer Klemme (-UZK) der Ausgangsspannung eine aus zwei strombidirektionalen Schaltern (Sn,Dn;S2i,P2i) bestehende Halbbrücke geschaltet ist.
10. Wandlerschaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen 35 positiver Klemme (+UZK) und negativer Klemme (-UZK) der Ausgangsspannung n, wobei n > 1 gilt, aus je zwei strombidirektionalen Schaltern ((Sn,Du,S2i,D2-\),...(S^,Din;S2„,D2n)) bestehende Halbbrücken geschaltet sind.
11. Wandlerschaltung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass am Mittelpunkt der 40 Halbbrücke, bestehend aus ein Filter angeschlossen ist.
12. Wandlerschaltung nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass an den Mittelpunkten der Halbbrücken, bestehend aus ((Sn,Dn^i,021),...(5^,0^:82,,,020)). Filter angeschlossen sind. 45
13. Wandlerschaltung gemäß Anspruch 9 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass die veränderbaren Spannungen an den Ausgangsklemmen (A1o,A20, Ano) als unabhängig veränderbare bipolare Spannungsquellen dienen.
14. Wandlerschaltung gemäß Anspruch 9 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass an den verän derbaren Spannungen an den Ausgangsklemmen (A1o,A2o, Ano) eine Mehrphasenmaschine mit der Phasenzahl n oder ein Mehrphasenaktuator geschaltet ist.
15. Wandlerschaltung gemäß Anspruch 9 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Erzeu-55 gung eines mehrphasigen Inselnetzes verwendet wird. 5 AT 413 912 B
16. Wandlerschaltung gemäß Anspruch 9 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Einspeisung in ein ein- oder mehrphasiges Netz verwendet wird.
17. Wandlerschaltung gemäß Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass sie als Leistungsteil 5 eines Klasse-D Verstärkers verwendet wird. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55