AT509698A1 - Umformer mit spartransformator - Google Patents

Description

Umformer mit Spartransformator

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umformung von Gleichspannung, bestehend aus einem aktiven Schalter mit zugehöriger Treiberschaltung, einem passiven Schalter, einem Kondensator und zwei miteinander magnetisch gekoppelten Wicklungen und einer positiven und einer negativen Klemme zum Anschluss der Eingangsspannung, einer Ausgangsklemme bzw. eine Vorrichtung zur Umformung von Spannung beliebiger Polarität bestehend, aus zwei spannungsbidirektionalen Schaltern mit zugehöriger Treiberschaltung, einem Kondensator und zwei miteinander magnetisch gekoppelten Wicklungen und einer ersten und einer zweiten Klemme zum Anschluss der Eingangsspannung.

Die Umformung von Gleichspannungen ist besonders bei der Ansteuerung von Maschinen und Aktoren von großer Bedeutung. Hierbei kommt es auf (rasche) Veränderung der Ausgangsspannung bzw. der Ausgangsspannungen bei geringem Energieverlust an. Die hier vorgestellte Umformerstufe eignet sich sowohl als Einzelstufe zur Umformung der Spannung als auch beim Aufbau des Konverters aus mehreren solchen Stufen zur Ansteuerung von mehrphasigen Maschinen, seien es nun Schrittmotoren, Gleichstrommaschinen, Reluktanzmaschinen oder zwei oder mehrphasige Wechselstrommaschinen. Für den stationären, eingeschwungenen Zustand lässt sich unter der Voraussetzung idealer Bauelemente für den Mittelwert der pulsierenden Ausgangsspannung (bezogen auf die negative Eingangsklemme) Uz mitVi als Windungszahl der ersten Wicklung, Nz als Windungszahl der zweiten Wicklung, d als Tastverhältnis des ersten aktiven Schalters (bzw. als ersten der beiden spannungsbidirektionalen Schalter) und der Eingangsspannung U\ mit _ ( Ul = N, • + 1 {N,+N2 1 -d ) V1 angeben.

Besteht der Konverter nur aus einer Stufe, so kann nur ein Aktuator oder eine Wicklung angesteuert werden, die einen Mittelwert der Spannung benötigt, der größer oder gleich der Eingangsspannung ist. Eine Gleichstrommaschine würde mit dieser Stufe nicht gleichmäßig gesteuert anfahren können oder, wenn die Schaltung durch eine Halbbrücke mit zwei aktiven Schaltern besteht, zum Stillstand bremsen können. Baut man den Konverter jedoch aus zwei gleiche Stufen auf, so ist ein Zweiquadrantenbetrieb, bzw. bei Aufbau der Stufen aus Halbbrücken ein Vierquadrantenbetrieb oder ein einphasiger Wechselrichter möglich. Baut 1 P85/fh/20100403 man den Konverter aus drei oder mehr gleichen Stufen auf, so erhält man einen Drei- oder Mehrphasenwechselrichter.

Die Erfindung wird nun an Hand von Zeichnungen beschrieben. Figur 1 und Fig. 2 stellen die Grundstufe des Konverters, beispielhaft gezeichnet mit selbstsperrenden n-Kanal MOSFETs dar. Figur 3 stellt einen Dreiphasenumrichter, aufgebaut aus drei Einzelstufen dar und Fig. 4 stellt eine Stufe realisiert mit spannungsbidirektionalen Schaltern dar.

Figur 1 stellt das universelle Grundelement des hier behandelten Umrichters dar. Es besteht aus einer Halbbrücke mit strombidirektionalen Schaltern, jeweils bestehend aus einem aktiven Schalter (Sl, S2) mit antiparalleler Diode (Dl, D2), zwei miteinander gekoppelten Spulen (NI, N2) und einem Kondensator (C). Die Ausgangsspannung kann zwischen der Ausgangsklemme (L) und einer Klemme, die am gleichen Potential wie die negative Eingangsklemme (N) liegt, abgegriffen werden. Man kann auch eine unidirektionale Version der Stufe (Fig. 2) konstruieren, bei der im Gegensatz zur Schaltung gemäß Fig. 1 nur ein Energiefluss vom Eingang zum Ausgang möglich ist. Hiezu benötigt man nur je einen aktiven Schalter (Sl) und einen passiven Schalter (Dl). Als Anwendung ist hier ein Power Factor Corrector oder Beleuchtungssteuerung denkbar. Figur 3 stellt als Beispiel für eine mehrfache Ausführung einen Dreiphasenumrichter dar. Die Last kann im Dreieck zwischen den Ausgangsklemmen (LI, L2, L3) oder im Stern zwischen den Ausgangsklemmen (LI, L2, L3) und Klemmen, die am gleichen Potential wie die negative Eingangsklemme (N) liegen, geschaltet werden. Figur 4 stellt eine universellere Version der Konverterstufe dar. Während bei den vorigen Ausformungen eine unidirektionale Eingangsspannung erforderlich ist, ist hier die Polarität der Eingangsspannung gleichgültig. Die Schalter, die hier im Gegentakt betrieben werden müssen, sind spannungsbidirektional ausgefühlt. Der Kondensator (C) darf hier im Gegensatz zu den Varianten ohne spannungsbidirektionale Schalter nicht als gepolter Kondensator ausgeführt sein.

Die Aufgabe eine Gleichspannung umzuformen wird erfindungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass die positive Eingangsklemme an den ersten Anschluss der ersten Wicklung geschaltet ist und der zweite Anschluss der ersten Wicklung einerseits an den ersten Anschluss der zweiten Wicklung und andererseits an den negativen Anschluss des Kondensators geschaltet ist, die zweite Klemme der zweiten Wicklung an den positiven Anschluss des aktiven Schalters, dessen negativer Anschluss mit der negativen Eingangsklemme verbunden ist und an die Anode des passiven Schalters geschaltet ist, deren Kathode sowohl mit dem positiven Anschluss des Kondensators als auch der 2 P85/fh/20100403

Ausgangsklemme verbunden ist. Dabei kann der aktive Schalter durch eine zweite Diode und der passive Schalter durch einen zweiten aktiven Schalter samt zugehöriger Treiberstufe überbrückt werden. Es ist dabei sinnvoll, die aktiven Schalter mit den antiparallelen Dioden durch ein Halbbrückenmodul zu realisieren, um die parasitären Induktivitäten klein zu halten. Jede Stufe kann dabei den n-ten Teil eines n-phasigen Konverters bilden. Zwischen den Ausgangsklemmen der einzelnen Phasen oder je zwischen den Ausgangsklemmen der Phasen und der negativen Eingangsklemme werden Wicklungen von Maschinen oder Aktoren geschaltet.

Die Aufgabe eine Spannung beliebiger Polarität umzuformen wird erfindungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass die erste Eingangsklemme an den ersten Anschluss der ersten Wicklung geschaltet ist und der zweite Anschluss der ersten Wicklung einerseits an den ersten Anschluss der zweiten Wicklung und andererseits an den ersten Anschluss des Kondensators geschaltet ist, die zweite Klemme der zweiten Wicklung an den ersten Anschluss des ersten Schalters, dessen zweiter Anschluss mit der zweiten Eingangsklemme verbunden ist und an den ersten Anschluss des zweiten Schalters geschaltet ist, dessen zweiter Anschluss sowohl mit dem zweiten Anschluss des Kondensators und der Ausgangsklemme verbunden ist. Auch hier ist es sinnvoll die spannungsbidirektionalen Schalter durch ein Modul zu realisieren. Jede Stufe kann den n-ten Teil eines n-phasigen Konverters bilden. Zwischen der ersten Eingangsklemme und der zweiten Eingangsklemme kann ein oder mehrere Kondensatoren geschaltet sein. 3 P85/fh/20100403

Claims (8)

1. Patentansprüche 1. Vorrichtung zur Umformung von Gleichspannung, bestehend aus einem aktiven Schalter mit zugehöriger Treiberschaltung, einem passiven Schalter, einem Kondensator und zwei miteinander magnetisch gekoppelten Wicklungen und einer positiven und einer negativen Klemme zum Anschluss der Eingangsspannung, einer Ausgangsklemme dadurch gekennzeichnet, dass die positive Eingangsklemme an den ersten Anschluss der ersten Wicklung geschaltet ist und der zweite Anschluss der ersten Wicklung einerseits an den ersten Anschluss der zweiten Wicklung und andererseits an den negativen Anschluss des Kondensators geschaltet ist, die zweite Klemme der zweiten Wicklung an den positiven Anschluss des aktiven Schalters, dessen negativer Anschluss mit der negativen Eingangsklemme verbunden ist und an die Anode des passiven Schalters geschaltet ist, deren Kathode sowohl mit dem positiven Anschluss des Kondensators als auch der Ausgangsklemme verbunden ist.
2. 2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Schalter ' durch eine zweite Diode und der passive Schalter durch einen zweiten aktiven Schalter samt zugehöriger Treiberstufe überbrückt ist.
3. 3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Schalter mit den antiparallelen Dioden durch ein Halbbrückenmodul realisiert sind.
4. 4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass sie den n-ten Teil eines n-phasigen Konverters bildet und dass zwischen den Ausgangsklemmen der einzelnen Phasen oder je zwischen den Ausgangsklemmen der Phasen und der negativen Eingangsklemme Wicklungen von Maschinen oder Aktoren geschaltet sind.
5. 5. Vorrichtung zur Umformung von Spannung beliebiger Polarität bestehend, aus zwei spannungsbidirektionalen Schaltern mit zugehöriger Treiberschaltung, einem Kondensator und zwei miteinander magnetisch gekoppelten Wicklungen und einer ersten und einer zweiten Klemme zum Anschluss der Eingangsspannung dadurch gekennzeichnet, dass die erste Eingangsklemme an den ersten Anschluss der ersten Wicklung geschaltet ist und der zweite Anschluss der ersten Wicklung einerseits an den ersten Anschluss der zweiten Wicklung und andererseits an den ersten Anschluss des Kondensators geschaltet ist, die zweite Klemme der zweiten Wicklung an den ersten Anschluss des ersten Schalters, dessen zweiter Anschluss mit der zweiten Eingangsklemme verbunden ist und an den ersten Anschluss des zweiten Schalters geschaltet ist, dessen zweiter Anschluss sowohl mit dem zweiten Anschluss des Kondensators und der Ausgangsklemme verbunden ist. P85/fh/20100403 4 *··· f « · # · * • · » * · · *· · a # • φ · · · · · · · ·*···· · t φ »
6. 6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die spannungsbidirektionalen Schalter durch ein Modul realisiert sind.
7. 7. Vorrichtung gemäß Anspruch 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass sie den n-ten Teil eines n-phasigen Konverters bildet.
8. 8. Umrichter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Eingangsklemme und der zweiten Eingangsklemme ein oder mehrere Kondensatoren geschaltet sind. 5 Ρ85/Ήι/20100403