AT414066B - Universeller umrichter mit gekoppelter ausgangsspule - Google Patents

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Description

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AT 414 066 B
Die Erfindung dient zur Umformung einer unidirektionalen Eingangsspannung in eine oder mehrere veränderbare Ausgangsspannungen. Im Besonderen kann die Schaltung als Mehrphasenumrichter mit der Phasenzahl n verwendet werden. Der Spezialfall n=1 stellt dabei einen DC/DC Konverter dar. Aber auch im Falle der Mehrphasigkeit können n unabhängig 5 verstellbare unipolare Spannungen gegen den gleichen Bezugspunkt erzeugt werden. Mehrphasenumrichter dienen im Allgemeinen zur Umformung von Spannungen aus einem Zwischenkreis (Spannungszwischenkreis oder Stromzwischenkreis, im Zusammenhang mit der gegenständlichen Erfindung ist nur ein Spannungszwischenkreis möglich) in Mehrphasenspannungen. Das Mehrphasennetz am Ausgang kann aus harmonischen Schwingungen bestehen, io Es können aber auch verzerrte Schwingungen oder Schwingungen mit einem Gleichspannungsoffset erzeugt werden. Von praktischer Bedeutung sind dabei besonders Sinusspannungen und Trapezspannungen mit vorgebbarer Frequenz zur Ansteuerung von Drehstrommaschinen. 15 Aus der Patentliteratur sind Halbbrückenstrukturen mit Induktivitäten zwischen den Schaltern bekannt. Sie werden im folgenden behandelt und der Unterschied zu der hier vorgestellten Erfindung herausgearbeitet. DE 36 39 495 A1 (LICENTIA PATENT-VERWALTUNGS-GBMH) behandelt eine Einrichtung zur gezielten Entladung von Beschaltungs-Kondensatoren bei Pulswechselrichtern bzw. Gleichstromhalbleiterstellem für den Mehrquadrantenbetrieb. Der bekann-20 te RCD-Snubber wird dabei dahingehend erweitert, dass die Entladung des Kondensators nicht über den Hauptschalter, der entlastet werden soll, erfolgt, sondern mit Hilfe eines zusätzlichen elektronischen Schalters. Dadurch wird die Entladestromspitze vom zu entlastenden Schalter fern gehalten. Die zwischen den Schaltern geschalteten Induktivitäten dienen der Einschaltentlastung. Sie benötigen aber einen RCD bzw. die dargestellten erweiterten Snubber, da sonst für 25 sie kein Freilauf vorgesehen ist.
Die hier vorgestellte Erfindung unterscheidet sich wesentlich von DE 36 39 495 A1. Dort ist eine kombinierte Aus-Einschaltentlastung vorgestellt. In der gegenständlichen Erfindung ermöglicht die Kopplung der beiden Spulen den Verzicht auf jegliche zusätzliche Beschaltung, da beim 30 Schalten der Haupttransistor immer eine Kommutierung des gerade durch die eine Wicklung fließenden Stroms auf die andere Wicklung erfolgen kann. Dies führt zu einer Verkleinerung des Aufbaus mit weniger zusätzlichen Bauelementen und daher zu einem kompakteren, leichteren und billigeren Gesamtsystem. 35 GB 2 100 480 A (GENERAL EQUIPMENT MEDICAL SA) zeigt eine Vorrichtung mit Thyristoren zur Erzeugung einer hohen Spannung für den Einsatz in Röntgenmaschinen. Es handelt sich dabei um eine Thyristorhalbbrücke, die einen Schwingkreisumrichter steuert. Die zwischen den beiden Thyristoren geschalteten Induktivitäten sind dabei einerseits Stromanstiegsbegrenzungsspulen und dienen andererseits als Induktivitäten für den Schwingkreis. Die elektroni-40 sehen Schalter, das sind hier die Thyristoren, schalteten beim natürlichen Stromnulldurchgang aus. Diese Schaltung ist also prinzipiell auf Thyristoren ausgerichtet, da sie so ohne Ausschaltvorrichtung auskommen. Die mögliche Kopplung zwischen den beiden Spulen liefert beim Zünden eines Thyristors einen kurzen negativen Spannungsverlauf am jeweils anderen Thyristor. Bei der gegenständlichen Erfindung handelt es sich aber um eine Brückenschaltung, bei 45 der der Strom zu beliebigen Zeitpunkten ein- oder ausgeschaltet werden kann, ohne dass ein Stromnulldurchgang abgewartet werden muss. Die bei der Kommutierung auftretende Spannung auf der zweiten Wicklung führt zu einer Reduktion der Spannung am abgeschalteten Schalter. Funktionsweise und Anwendung unterscheiden sich deutlich. so In GB 2 242 792 (GEC ALSTHOM LIMITED) wird ein statischer Blindleistungskompensator für das Dreiphasennetz behandelt. Es werden dabei B6 Dreiphasenbrücken verwendet, deren Zündwinkel symmetrisch um den natürlichen Kommutierungspunkt versetzt sind. Dadurch kommt es bei geschickter Wahl der Zündwinkel zu einer Verringerung der Stromoberschwingungen im speisenden Netz. Bei der gegenständlichen Erfindung dienen die gekoppelten Spu-55 len zur Entkopplung der Schaltzweige bei gleichzeitiger Entlastung beim Einschalten. Ein nie- 3
AT 414 066 B derimpedanter Ausgang, gebildet durch einen Kondensator, ist dabei von Nöten.
Figur 1 zeigt das Grundkonzept des hier vorgeschlagenen Mehrphasenumrichters. Die Figuren 2.a bis 2.d zeigen die auftretenden Stromkreise im bidirektionalen Betrieb. In Fig. 3 wird eine 5 Modifikation der Schaltung zur Verringerung der Schaltverluste für eine Phase gezeigt. Ein etwas aufwendigeres Grundkonzept zeigt Fig. 4; auch dieses kann durch Kondensatoren erweitert werden (Fig.5). Schließlich ist in Fig. 6 eine Einspeiseschaltung in das einphasige Niederspannungsnetz gezeigt. io Figur 1 zeigt den Grundaufbau des Mehrphasenumrichters, beispielhaft gezeichnet für drei Phasen. (Da das Drehstromsystem weltweit sehr verbreitet ist, ist das naheliegend, durch Punkte ist die Erweiterungsmöglichkeit angedeutet.) Die auf den Bezugspunkt N bezogene unipolare Spannung U1 repräsentiert eine niederimpedante Spannungsquelle. Die eigentliche Umformung wird in jeder Phase, bezogen auf den Minuspol der Eingangsspannung, mit Hilfe von zwei 15 strombidirektionalen Schaltern beispielhaft mit MOSFETs gezeichnet, einer aus zwei typischerweise bifilaren Wicklungen auf dem gleichen Eisenkern bestehenden angezapften Induktivität und einer Kapazität, realisiert. An den Verbindungspunkt von Kondensator und Mittelpunkt der Induktivität ist auch gleichzeitig die Last angeschlossen. Die strombidirektionalen Schalter sind jeweils zwischen einer Eingangsklemme und einem Wicklungsanfang einer Teilwicklung der 20 angezapften Spule geschaltet. Die Schaltung eignet sich ohne weiteren Filter zum direkten Anschluss einer mehrphasigen Maschine. Möchte man ein Mehrphasennetz anschließen oder eine Mehrphasenspannungsquelle erzeugen, so ist in jeder Phase ein Filter einzufügen.
Man kann die Grundschaltung auch noch mit Kondensatoren parallel zu den strombidirektiona-25 len Schaltern erweitern. Damit ist es möglich, eine Schaltentlastung zu erzielen (Fig.3).
Eine Abwandlung der Umformerstufe besteht pro Phase aus zwei asymmetrischen Halbbrücken, wobei ein aktiver Schalter einerseits gegen den Pluspol der Eingangsspannung und andererseits in Serie mit einer Diode geschaltet ist, deren Anode mit dem Minuspunkt der Ein-30 gangsspannung verbunden ist. Am Verbindungspunkt zwischen aktivem und passivem Schalter (Diode) ist die Anode einer Diode geschaltet, deren Kathode mit einer Eingangsklemme der gekoppelten Spule verbunden ist. Bei der zweite Halbbrücke sind die Lage von aktivem und passivem Schalter vertauscht (Fig. 4). 35 Auch hier ist es möglich, durch Ergänzung von zu den Schaltern parallel liegenden Kondensatoren die Verlustleistung beim Schalten zu reduzieren.
Bei allen Schaltungsvarianten wird die Schaltfrequenz dem Anwendungszweck entsprechend gewählt, wobei eine höhere Frequenz in Hinblick auf die Dimensionierung der Drosseln und 40 Kondensatoren zweckmäßig ist. Für die Auslegung der gekoppelten Spule ergeben sich dabei zwei Konzepte. Man kann die gekoppelte Spule als Teil des Ausgangsfilters betrachten, oder man betrachtet die gekoppelte Spule als Maßnahme die Schaltverluste der Stufe zu verringern. Im zweiten Fall wird dies zu einem geringeren Induktivitätswert führen. 45 Als Anwendung für die Erfindung ergeben sich: Erzeugung von n hochdynamisch stellbaren Gleichspannungen der gleichen Polarität wie die Eingangsspannung bezogen auf den Minuspol der Eingangspannung, Erzeugung eines Mehrphasensystems zur Ansteuerung einer elektrischen Maschine oder eines Aktuators, als Wechselrichter zur Einspeisung in das Ein- oder Mehrphasenniederspannungsnetz oder zur Erzeugung eines Inselnetzes und als D-Verstärker. 50
Bezugszeichenaufstellung U, Spannung 55 (U2i,L/22,...U2fc, ···(/>„) Spannung

Claims (9)

  1. 5 4AT 414 066 B (S11 S2i.Si2.s22.-- Sik,S2A,-.-Sin,S2n) strombidirektionale Schalter (Fig.1) 30 35 N L/o (ί-1οι^-2οι···^-ηο) L*o (L*-\oiL 2ο,-··Ι- no) L/o (i-10i^20i"'^no) Anschluss (Klemme) für Eingangsspannung (erste Klemme) Anschluss (Klemme) für neutralen Leiter (Bezugspunkt) Anschluss für Ausgangsspannung (Fig.1) (zweite Klemme) Anschluss (Klemme) für Ausgangsspannung (Fig.3) Anschluss (Klemme) für Filter (Fig.3) 10 15 20 25 Lj (/-1,^-2.- *Ln) Induktivität, Spule Ln (Lv.Uu -Lri) Induktivität, Spule L/2 (/-12,^22.-- ^2) Induktivität, Spule L/o {L^o,L-2o,---l-no) Induktivität, Spule C/(Ci,C2,..Cn) Kondensator C/1 (C11.C21.-C01) Kondensator C/2 (C12.C22.-C02) Kondensator Cb Kondensator CFOi (Cf01 . Cf02, · CFOn) Kondensator (SvS^,S2,S2,-Sn,Sn) strombidirektionaler Schalter (Su.Sn^i^i.-.-S^.S,,!) strombidirektionaler Schalter (S^.Sio,So2,S22,---Sn2,Sn2 ) strombidirektionaler Schalter Lii (L]i,L2i,---Lni) Patentansprüche: 1. Wandlerschaltung zur Umformung einer unipolaren Spannung (tA) in n, wobei n ä 1 gilt, in Spannungen (U^,U22,...U2kt...U2n) mit Hilfe von 2 n strombidirektionalen Schalterpaaren (5ι ί ,S2i ,S12,S22,... Sik,S2k,...S-\n,S2n), sowie n Kondensatoren (Ci,C2,..Cfc,..Cn) und n gekoppelten, gleichsinnig gewickelten, Induktivitäten {LaULb-[,La2,Lb2,..Lak,Lbk,...Lan,Lbn) dadurch gekennzeichnet, dass jeweils der Pluspol der Spannung ((A) mit dem positiven Anschluss 45 eines aktiven Schalters (S^) verbunden ist, der negative Anschluss dieses aktiven Schal ters (Su) mit dem Wicklungsanfang einer Wicklung der gekoppelten Spule (Lak) verbunden ist, deren Wicklungsende mit dem Wicklungsende der zweiten Wicklung der gekoppelten Spule (Lbk), einem Kondensator (Ck), dessen zweiter Anschluss mit der negativen Anschlussklemme für die unipolare Spannung (L/1) verbunden ist und mit einer Ausgangs-50 klemme der Schaltung Ak0 verbunden ist, der Windungsanfang der zweiten Wicklung der gekoppelten Spule (Lbk) mit dem positiven Anschluss eines aktiven Schalters (S2k) verbunden ist und der negative Anschluss des aktiven Schalters (S2k) mit der negativen Anschlussklemme für die unipolare Spannung ((/,) verbunden ist.
  2. 2. Wandlerschaltung zur Umformung einer unipolaren Spannung (I/1) in n, wobei η ä 1 gilt, in 5 AT 414 066 B Spannungen (l/2,,L/22,...U^,...U2n) mit Hilfe von 2 n Schalterpaaren (S11lS2i,S12, S22,...Si/„S2*,...Sin,S2„), zweimal 2 n Diodenpaaren {D^^,Dn,D22,...D}k,D2k,...D^,D2n) und (DauD^,Da2,Db2,...Dak,Dbk,...Dan,Dbn), sowie n Kondensatoren (Ci,C2,..C*,..C„) und n gekoppelten gleichsinnig gewickelten, Induktivitäten (La,,Lft,,La2,Lb2,..Lak,Lbk,...Lan,Lbn) da-5 durch gekennzeichnet, dass jeweils der Pluspol der Spannung (l/,) mit dem positiven Anschluss eines aktiven Schalters (S,*) verbunden ist, der negative Anschluss dieses aktiven Schalters (S,,,) mit der Kathode einer Diode (Du), deren Anode mit der negativen Anschlussklemme für die unipolare Spannung (l/,) verbunden ist und mit der Anode einer Diode (Da/(), deren Kathode mit dem Wicklungsanfang einer Wicklung der gekoppelten Spule 10 (Lak) verbunden ist, deren Wicklungsende mit dem Wicklungsende der zweiten Wicklung der gekoppelten Spule (Lbk), einem Kondensator (Ck), dessen zweiter Anschluss mit der negativen Anschlussklemme für die unipolare Spannung (L/,) verbunden ist und mit einer Ausgangsklemme der Schaltung Ak0 verbunden ist, wobei der Windungsanfang der zweiten Wicklung der gekoppelten Spule (Lbk) mit der Anode einer Diode (Dbk) verbunden ist, deren 15 Kathode einerseits mit dem positiven Anschluss eines aktiven Schalters (S2k) verbunden ist, dessen negativer Anschluss mit der negativen Anschlussklemme für die unipolare Spannung (LA,) verbunden ist, andererseits ist die Kathode der Diode (Dbk) mit der Anode einer Diode (D2k) verbunden, deren Kathode an den Pluspol der Spannung (l/,) geschaltet ist. 20
  3. 3. Wandlerschaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu den strombidirektionalen Schaltern (S,i,S2,,S,2,S22,...S,/(,S2/(,...Si„,S2n) jeweils ein Kondensator (C,i,C2,,C,2,C22,...C,/(,C2/(,...C,„,C2n) geschaltet ist.
  4. 4. Wandlerschaltung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu den aktiven Schaltern (S, 1,82,,8,2.822,...8,/(,82/(,...8,0,820) und den passiven Schaltern (0,,,021,0,2,022,...0,/(,02/,,...0,0,020) jeweils ein Kondensator (C^k,C2k,C2k,C4k) geschaltet ist.
  5. 5. Wandlerschaltungen gemäß Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die verän- 30 derbaren Spannungen an den Ausgangsklemmen (Ai0,A2o,...Ano) als unabhängig verän derbare unipolare Spannungsquellen dienen.
  6. 6. Wandlerschaltungen gemäß Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass an den veränderbaren Spannungen an den Ausgangsklemmen (A^,A2o,...Ano) eine Mehrphasenma- 35 schine mit der Phasenzahl n oder ein Mehrphasenaktuator geschaltet ist.
  7. 7. Wandlerschaltungen gemäß Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Erzeugung eines mehrphasigen Inselnetzes verwendet werden.
  8. 8. Wandlerschaltungen gemäß Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Ein speisung in ein ein- oder mehrphasigen Netzes verwendet werden.
  9. 9. Wandlerschaltungen gemäß Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass sie als Leistungsteil eines Klasse-D Verstärkers verwendet werden. 45 Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 50 55
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2100480A (en) * 1981-06-12 1982-12-22 Gen Equip Med Sa Semiconductor voltage regulator circuit
DE3639495A1 (de) * 1986-11-20 1988-05-26 Licentia Gmbh Beschaltung der schalter von pulswechselrichtern und gleichstrom-halbleiterstellern fuer den mehrquadrantenbetrieb
GB2242792A (en) * 1990-03-05 1991-10-09 Gec Alsthom Ltd Reactive power generator

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