AT521475B1 - Kombinierter D-, 2D-Konverter - Google Patents

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AT521475B1
AT521475B1 ATA359/2018A AT3592018A AT521475B1 AT 521475 B1 AT521475 B1 AT 521475B1 AT 3592018 A AT3592018 A AT 3592018A AT 521475 B1 AT521475 B1 AT 521475B1
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Ing Dr Felix Himmelstoss Dipl
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Fachhochschule Technikum Wien
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
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    • G—PHYSICS
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    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Konverter, bestehend aus einer positiven (1) und einer negativen Eingangsklemme (2), an denen die Eingangsspannung (U1) geschaltet ist, einer Halbbrücke, bestehend aus zwei aktiven strombidirektionalen Schaltern (S1, S2), wobei der positive Anschluss des ersten strombidirektionalen Schalters (S1) mit der positiven Eingangsklemme (1), der negative Anschluss des zweiten strombidirektionalen Schalters (S2) mit der negativen Eingangsklemme (2), der negative Anschluss des ersten bidirektionalen Schalters (S1) und der positive Anschluss des zweiten bidirektionalen Schalters (S2) verschalten sind, einer Diode (D), einer Spule (L), zwei Kondensatoren (C1, C2), einem Umschalter (U), einer positiven (3) und einer negativen Ausgangsklemme, an denen die induktive Last (M) geschaltet ist. In der Schalterstellung (d1) funktioniert die Schaltung wie ein gewöhnlicher Tiefsetzsteller, in der Schalterstellung (d2) jedoch wie ein Hochtiefsetzsteller mit einem Spannungsübersetzungsverhältnis von zweimal dem Tastverhältnis bezogen auf den ersten bidirektionalen Schalter (S1).

Description

KOMBINIERTER D-, 2D-KONVERTER [0001] Die Erfindung betrifft einen Konverter, bestehend aus einer positiven (1) und einer negativen Eingangsklemme (2), an denen die Eingangsspannung (Ufi geschaltet ist, einer Halbbrücke, bestehend aus zwei aktiven strombidirektionalen Schaltern (Si, S2), wobei der positive Anschluss des ersten strombidirektionalen Schalters (Si) mit der positiven Eingangsklemme (1), der negative Anschluss des zweiten strombidirektionalen Schalters (S2) mit der negativen Eingangsklemme (2), der negative Anschluss des ersten bidirektionalen Schalters (Si) und der positive Anschluss des zweiten bidirektionalen Schalters (S2) verschalten sind, einer Diode (D), einer Spule (L), zwei Kondensatoren (C^ C2), einem Umschalter (U), einer positiven (3) und einer negativen Ausgangsklemme, an denen die induktive Last (M) geschaltet ist.
[0002] Als induktive Last kann dabei neben der Ankerwicklung einer Gleichstrommaschine auch ein induktiver Aktuator, eine Spule in Serie mit einer Batterie oder einer Superkapazität (als Anwendung als Ladegerät), oder eine Spule in Serie mit Leuchtmitteln sein.
[0003] Die Schaltung lässt sich leicht an Hand des Schaltbilds Fig. 1 erklären. Als Last dient eine Gleichstrommaschine. Ideale Bauteile werden vorausgesetzt. Die aktiven Schalter Si und S2 bilden mit der Spule L und dem Kondensator einen normalen Tiefsetzsteller an dem, wenn der Umschalter in der Position d liegt, die Gleichstrommaschine M als Last geschaltet ist. Im eingeschwungenen Zustand stellt sich im kontinuierlichen Betrieb mit einem Tastverhältnis d an ϋ die Spannung
Uci = dU± ein. Die Quellspannung Uq der Maschine wird sich daher (wenn der Wicklungswiderstand vernachlässigt wird) auf denselben Wert einstellen. Mit der Spannungskonstante der Maschine Ce ergibt sich daher die Drehzahl n = — dU,.
Ce 1 [0004] Man kann die Spannung an der Maschine zwischen null und der Eingangsspannung verändern und verändert daher entsprechend die Drehzahl. Der Betrieb in der Schalterstellung d1 entspricht dem normalen Betrieb einer Maschine an einem Buck Konverter.
[0005] Schaltet man jedoch den Umschalter U in die Position d2, so verändern sich die Funktionsweise und das Verhalten des Antriebs. Die Induktivität der Maschine LM und die Quellspannung Uq müssen nun berücksichtigt werden.
[0006] Die Schaltung hat im kontinuierlichen Betrieb zwei Moden. Im Mode M1 leitet der aktive Schalter S und die Dioden D^ D2 sperren. Im zweiten Mode M2 sperrt der aktive Schalter S und die Dioden Dt und D2 leiten.
[0007] Für die Spule L kann man das Spannungszeitgleichgewicht im eingeschwungenen Zustand anschreiben gemäß
- Ucl)d = UC1(1 - d)
Uci = Urd.
[0008] Dies gilt grundsätzlich auch in der Betriebsart d1.
[0009] Für das Spannungszeitgleichgewicht an der Maschineninduktivität LM kann man schreiben (yC2 + ur - uq)d = |(t/C2 - uq)|(i - d).
[0010] Im Mode 2 sind Ct und C2 parallel geschaltet, daher müssen sie die gleiche Spannung haben /4
AT 521 475 B1 2020-02-15 österreichisches patentamt
Uci — Uc2[0011] Damit ergibt sich für die Quellspannung
Uq = 2dU±.
[0012] Man sieht, dass in der Schalterstellung d2 die Schaltung in Bezug auf die Quellspannung wie ein Hochtiefsetzer arbeitet. Man kann in dieser zweiten Stellung also (bis theoretisch) die doppelte Drehzahl erreichen als in der Schalterstellung d1 n = —2dU..
cE 1 [0013] Die Glättung erfolgt dabei nur über die relativ große Maschineninduktivtät LM und das Trägheitsmoments des Antriebs und ist daher geringer als in der Schalterstellung d1, wo L und Ct einen Tiefpass bilden.
[0014] Es soll auch angemerkt werden, dass man aus der Schleife Uq, L, C2, LM auch erkennt, dass die Quellspannung die Summe der beiden Kondensatorspannungen sein muss.
[0015] Der Vorteil des hier vorgestellten Konverters ist die Möglichkeit höhere Drehzahlen zu erzielen als mit dem normalen Tiefsetzsteller. Die Übersetzungskennlinie ist auch in der zweiten Schalterstellung linear.
[0016] Als Nachteil kann man die Tatsache ansehen, dass bei Schalterstellung d2 die beiden Kondensatoren im Mode M2 parallel liegen und daher bei leicht unterschiedlicher Ladung ein Ausgleichsstrom fließen muss, der zu prinzipbedingten Verlusten führt. (Diesen Nachteil haben auch die sogenannten Z-Source Konverter und deren Abwandlungen.) [0017] Der Umschalter kann auf verschiedene Arten realisiert werden, als mechanischer, elektromechanischer oder als elektronischer. Dies wird sich aus der Anwendung ergeben. Als elektromechanischer Umschalter erscheint besonders ein bistabiles Stoßrelais sinnvoll.
[0018] Die Aufgabe einen umschaltbaren D-/2D-Konverter zu realisieren wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, dass an die Verbindung von erstem (Sfl und zweitem bidirektionalen Schalter (S2) der erste Anschluss der Spule (L) und der negative Anschluss des zweiten Kondensators (C2) geschalten sind, an den zweiten Anschluss der Spule (L) der positive Anschluss des ersten Kondensators (Cß, die Anode der Diode (D) und der erste Kontakt (d1) des Umschalters (U) geschaltet sind, an die Kathode der Diode (D) der positive Anschluss des zweiten Kondensators (C2) und der zweite Kontakt (d2) des Umschalters (U) geschaltet sind, an dessen Wurzel die positive Ausgangsklemme (3) geschaltet ist und die negative Ausgangsklemme (4) mit dem negativen Anschluss des ersten Kondensators (Cfl und der negativen Eingangsklemme (2) verbunden sind.
[0019] Dabei ist es, um Überspannungen an den Schaltelementen zu vermeiden, sinnvoll, dass zwischen der positiven (1) und der negativen Eingangsklemme (2) ein Kondensator oder eine Kombination von Kondensatoren geschaltet ist.
[0020] Um die Schaltverluste an den aktiven Schaltern zu vermeiden und Schalten bei Spannung null zu ermöglichen wird man die Schaltung durch Parallelschalten je eines Kondensators parallel zu den bidirektionalen Schaltern (S^ S2) erweitern.
[0021] Der Umschalter (U) kann durch einen mechanischen oder durch einen elektromechanischen oder elektronischen Umschalter realisiert werden.

Claims (4)

1. Konverter bestehend aus einer positiven (1) und einer negativen Eingangsklemme (2), an denen die Eingangsspannung (UO geschaltet ist, einer Halbbrücke, bestehend aus zwei aktiven strombidirektionalen Schaltern (S^ S2), wobei der positive Anschluss des ersten strombidirektionalen Schalters (Sß mit der positiven Eingangsklemme (1), der negative Anschluss des zweiten strombidirektionalen Schalters (S2) mit der negativen Eingangsklemme (2), der negative Anschluss des ersten bidirektionalen Schalters (SO und der positive Anschluss des zweiten bidirektionalen Schalters (S2) verschalten sind, einer Diode (D), einer Spule (L), zwei Kondensatoren (Ci, C2), einem Umschalter (U), einer positiven (3) und einer negativen Ausgangsklemme, an denen die induktive Last (M) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass an die Verbindung von erstem (SO und zweitem bidirektionalen Schalter (S2) der erste Anschluss der Spule (L) und der negative Anschluss des zweiten Kondensators (C2) geschalten sind, an den zweiten Anschluss der Spule (L) der positive Anschluss des ersten Kondensators (CO, die Anode der Diode (D) und der erste Kontakt (d1) des Umschalters (U) geschaltet sind, an die Kathode der Diode (D) der positive Anschluss des zweiten Kondensators (C2) und der zweite Kontakt (d2) des Umschalters (U) geschaltet sind, an dessen Wurzel die positive Ausgangsklemme (3) geschaltet ist und die negative Ausgangsklemme (4) mit dem negativen Anschluss des ersten Kondensators (CO und der negativen Eingangsklemme (2) verbunden sind.
2. Konverter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der positiven (1) und der negativen Eingangsklemme (2) ein Kondensator oder eine Kombination von Kondensatoren geschaltet ist.
3. Konverter gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch Parallelschalten je eines Kondensators parallel zu den bidirektionalen Schaltern (S^ S2) Schalten bei Spannung null ermöglicht wird.
4. Konverter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Umschalter (U) durch einen mechanischen oder durch einen elektromechanischen oder elektronischen Umschalter realisiert ist.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2008206282A (ja) * 2007-02-20 2008-09-04 Densei Lambda Kk スナバ回路
US20120223667A1 (en) * 2011-03-04 2012-09-06 Denso Corporation Power conversion apparatus
EP2782235A1 (de) * 2013-03-21 2014-09-24 Mitsubishi Electric R&D Centre Europe B.V. Wandler aus mindestens einem ersten und einem zweiten Schalter sowie Dämpferschaltung zum Schutz des zweiten Schalters

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