BE903469A - Dc/ac omvormer en mogelijk hiermede te gebruiken transformator - Google Patents

Description

  "DC/AC omvormer en mogelijk hiermede te gebruiken transformator" Deze uitvinding heeft betrekking op een DC/AC omvormer voor onafhankelijk toepassingen, die een geschakelde pulsbreedte gemoduleerde DC/DC omvormer bevat die door een controle-eenheid wordt bestuurd teneinde vanaf een gelijkspanning een gelijkgerichte sinusoïdale spanning aan een inversiebrug aan te leggen om de gewenste wisselstroom te bekomen, waarbij de DC/DC geschakelde omvormer een scheidingstransformator is en de controle-eenheid een oscillator bevat die een zaagtandspanning met instelbare periode bevat die van buiten af kan worden bevolen en die alternatief de schakelingselementen van de DC/DC vermogenomvormer beveelt, en het

  
 <EMI ID=1.1> 

  
overschrijden van het zaagtandsignaal door het foutsignaal het openen veroorzaakt van het op dat ogenblik in de DC/DC vermogenomvormer tot op het einde van de volgende periode gesloten schakelingselement.

  
Het doel van de uitvinding is een DC/AC omvormer voor te schrijven met een bijzonder eenvoudige structuur, die minder kritische elementen bevat en een verhoogde stabiliteit vertoont.

  
Een ander doel van de uitvinding is een omvormer van het bedoelde type te verwezenlijken die in staat is een wisselstroom met gelijk welke golfvorm te leveren.

  
Om dit volgens de uitvinding te verwezenlijken, wordt hogerbedoeld foutsignaal bekomen door de vergelijking van het voor het uitgangs inductie-capaciteit filter van de vermogen DC/DC omvormer aanwezige blokgolfsignaal met een referentiewaarde die geleverd wordt door een referentiegolfvorm waarna het verschilsignaal voortspruitende uit de vergelijking aan een integrator wordt aangelegd waarvan het uitgangssignaal het vereiste foutsignaal is.

  
In een eerste mogelijke uitvoeringsvorm is de gebruikte integrator een passieve RC integrator en door een correctienet, dat de door deze passieve integrator voortgebrachte vervorming beperkt, gevolgd. 

  
In een andere uitvoeringsvorm is de gebruikte integrator van een actieve integrator gevormd door een ver sterker gecombineerd met een RC.

  
Andere details en bijzonderheden van de uitvinding zullen blijken uit de hiernavolgende beschrijving van een DC/AC omvormer voor afzonderlijke toepassingen volgens de uitvinding. Deze beschrijving wordt uitsluitend bij wijze van voorbeeld gegeven en beperkt de uitvinding niet. De verwijzingscijfers hebben betrekking op de hieraan toegevoegde figuren.

  
Figuur 1 is een blokschema van een DC/AC <EMI ID=2.1>  Figuur 2 is een schema van een eerste uitvoeringsvariante van de omvormer volgens de uitvinding. Figuur 3 is een schema van een tweede uitvoeringsvariante van de omvormer volgens de uitvinding. Figuur 4a stelt een schema voor van de aansluitingen van de wikkelingen van een transformator in een omvormer volgens de uitvinding gebruikt. Figuur 4b is een schematische voorstelling van de schikking op de ringkern van de wikkelingen volgens figuur 4a. Figuur 5 stelt een schema voor van aansluitingen van de primaire wikkelingen van de transformator in een omvormer volgens de uitvinding gebruikt. Figuur 6 is een schematische perspectivische voorstelling van twee primaire wikkelingen op de ringkern van de transformator gewikkeld.

  
In de DC/AC omvormer volgens de uitvinding, in figuur 1 onder de vorm van blokken voorgesteld, wordt de gelijkstroom aan een door een controle-eenheid gestuurde geschakelde pulsbreedte gemoduleerde DC/DC omvormer aangelegd ten einde een vanaf de aangelegde gelijkspanning een, bij voorbeeld sinusoïdale, gelijkgerichte wisselstroom te leveren. De spanning wordt aan een inversiebrug 3 aangelegd ten einde de gewenste wisselspanning te bekomen. 

  
Wil men reactieve ladingen voeden, dan schakelt men, in parallel met de uitgang van de PWM DC/DC omvormer 1, een blindstroom compensatie- of recuperatiesysteem 4.

  
De galvanische scheiding tussen de ingang van de gelijkstroom (DC) en de uitgang van de wisselstroom (AC) wordt in de DC/DC vermogenomvormer door een transformator verzekerd.

  
De vermogenomvormer is een "double forward" omvormer voorzien van transformatoren. Deze zorgen voor het opvoeren van de spanning en doen tevens dienst als scheiding. Als schakelelementen worden één of meerdere parallel geschakelde MOSFET's aangewend. Deze worden gestuurd met een stuurschakeling. Algemeen zijn ook de andere schakelaars zoals transistoren bruikbaar. Ten einde de galvanische scheiding tussen primaire en secundaire kant in stand te houden, worden de stuurpulsen, afkomstig van de controle-eenheid aan de stuurschakeling toegevoerd via optocouplers (HCPL
2601). Het basisprincipe van deze omvormer is niet nieuw en wordt bijvoorbeeld in de literatuur (Van Velthoven, 1978) beschreven.

  
De controle-eenheid 2 is opgebouwd rond een PWM-1C, hier type UC3524A, maar vele andere uitvoeringen kunnen aangewend worden. Dit IC bevat o.a. een zaagtandoscillator met een, uitwendig instelbare, periode T. Bij het begin van elke schakelperiode activeert dit IC om beurten één der twee schakelaars in het vermogen gedeelte via de stuurschakeling. Het zaagtandvormige oscillatorsignaal wordt eveneens toegevoerd aan de ingang van een comparator. Overschrijdt het signaal op de andere ingang van de comparator (foutsignaal genoemd) deze zaagtandspanning, dan wordt de schakelaar opnieuw geopend (tot op het einde van de volgende periode).

  
Conventioneel wordt het foutsignaal bekomen door de uitgangsspanning van de omvormer af te trekken van een referentiewaarde geleverd door een referentiegolfvorm (in dit geval gelijk-

  
 <EMI ID=3.1> 

  
Door de aanwezigheid van een LC-filter in de regelkring is deze schakeling echter slechts stabiel voor kleine waarden van de kringwinst. Door het invoeren van compensatienetwer-ken kan de kringwinst worden opgevoerd. Toch kan deze. bij een frek-

  
 <EMI ID=4.1> 

  
(onderdrukking van de schakelfrekwentie = 56 dB). Bij 100 Hz bedraagt de kringwinst dan 26 dB. bij 1 kHz nog 6 dB.

  
In de DC/AC omvormer volgens de uitvinding wordt het fouisignaal bekomen op de, in figuur 2, volgens een eerste

  
 <EMI ID=5.1> 

  
leken en het hieruit ontstane verschil wordt in de integrator 6 geïntegreerd. In tegenstelling met de conventionele schakeling dienen geen' verdere compensatieschakelingen meer te worden toegevoegd. De kring-

  
 <EMI ID=6.1> 

  
Voor het hoger vermelde voorbeeld betekent dit 18 dB meer kringwinst. Wil men met een conventionele feedback schakeling dezelfde kringwinst bekomen, dan zou de onderdrukking van de schakelfrekwentie slechts
20 dB bedragen.

  
Een andere uitvoeringsvariante wordt door figuur 3 duidelijk gemaakt. Deze verschilt essentieel van de uitvoeringsvorm volgens figuur 2 door de verplaatsing van het referentiepunt R. Deze bevindt zich thans aan de uitgang van het filter LC, zodat het naar de vergelijking gestuurde signaal uit een vermenging van het bloksignaal volgens de uitvoeringsvorm overeenkomstig figuur 2 en van het signaal na filtrering bestaat.

  
De integrator 6 kan van het passieve type zijn gevormd door een weerstand- en capaciteitnetwerk. Een dergelijke passieve integrator gedraagt zich niet ideaal en heeft een zekere vervorming van het uitgangssignaal voor gevolg. Deze vervorming kan worden goed gemaakt door een ander weerstand- en capaciteitnetwerk dat het zaagtandsignaal in een paraboolvormig signaal omzet. Men kan eveneens beroep doen op een actieve integrator. Deze wordt rond een versterker opgebouwd met een weerstand- en capaciteitnetwerk. In dit geval moet geen compensatie van de vervorming worden voorzien.

  
De DC/AC omvormer volgens de uitvinding beperkt zich niet tot het leveren van een sinusoïdale spanning. Het is perfekt mogelijk ander e golfvormen op te wekken, zoals driehoekige of zaagtandvormige golven, blokgolven enz. en wel dank zij een aanpassing van de vorm van de referentiegolf.

  
De uitvinding biedt dus een nieuwe contr oleschakeling met als kenmerken:

  
 <EMI ID=7.1> 

  
2. grotere open-kring winst waardoor de referentiegolfvorm beter gevolgd wordt en de invloed van DC ingangsspanningsvariaties verkleint;

  
3. geringer aantal componenten. 

  
De in de DC/AC vermogenomvormer gebruikte transformator moet de volgende eigenschappen vertonen:

  
1. geringe weerstand voor hoge en lage frekwenties;

  
2. zeer kleine lekzelfinductie;

  
3. relatief grote hoofdzelfinductie.

  
Deze eigenschappen worden best bereikt door beroep te doen op een ringkerntransformator. Het is bekend voor een transformator met een windingsverhouding N2/N1 = N de primaire P op te splitsen in N primaires die naast elkaar gewikkeld en daarna in parallel geschakeld worden. Na het aanbrengen van isolatie komt hierop de secundaire wikkeling S. Op deze wijze heeft men eveneens gelijke draaddiameters voor de primaire en secundaire wikkelingen. De volgende aanvullingen geven een verdere verbetering voor de punten 1 en 2. Daarenboven stellen wij nog een methode voor die de wikkelprocedure vereenvoudigt.

  
Het is ook bekend de lekzelfinductie te reduceren door het beurtelings op elkander wikkelen van een primaire en een secundaire wikkeling. Als mogelijke volgorde heeft men bij voorbeeld PSP en PSPS (P = primaire en S = secundaire). Men zal zich hierbij tot vier lagen beperken, maar de werkwijze is algemeen. 

  
Men zal van de volgorde PSP uitgaan . Klassiek moet de kopersectie S gelijk zijn aan de som van beide primaires om de weerstand zo klein mogelijk te houden. Voert men dit zo uit, dan is de secundaire draad dikker dan de primaire en bij bewikkelen wordt de kern niet volledig rondom gevuld. De uitvinding bestaat erin de middenste wikkeling S te vervangen door twee parallelle wikkelingen SS, figuur 4.

  
Dit heeft de volgende voordelen:

  
1. de lekzelfinductie is kleiner:

  
2. de hoogfrekwentieweerstand is nog kleiner;

  
3. de draaddiameters van de secundaires worden terug gelijk aan deze van de primaires; 

  
4. de capaciteit tussen primair en secundair is kleiner voor de configuratie PSSP dan voor een gelijkaardige PSPS configuratie die op gebied van spreiding equivalent is; .5. er zijn slechts twee isolaties tussen P en S nodig; de isolatie tussen SS mag veel dunner zijn. In het geval PSPS is dit zo niet en daardoor neemt de totale wikkelhoogte toe alsook de spreidingzelfinductie en weerstand.

  
De uitvinding betreft eveneens de uitschakeling van een probleem dat bij de praktische opbouw van de vereiste transformatoren wordt ontmoet.

  
De hierboven beschreven transformatoren bestaan voor een windingsverhouding N in principe uit N primairen
(hierbij wordt N afgerond op een gehele waarde). Figuur 5 toont dat elke wikkeling twee draden naar buiten doet komen. Voor N primaires zijn er dus 2N draden waarvan er N met elkaar verbonden worden en het begin van de primaire geven; de N overige worden eveneens met elkaar verbonden en geven het einde van de primaire. De draden die met elkaar moeten verbonden worden, liggen ruimtelijk uit elkaar en dit geeft een moeilijke verbinding. Hieronder volgt nu hoe het mogelijk is het aantal aansluitdraden met een faktor twee te verminderen. Figuur 5 toont het principe. Bij het bewikkelen van P ' wordt bij voorbeeld in klokzin de draad op de kern gelegd. Bij het beëindigen  <EMI ID=8.1> 

  
 <EMI ID=9.1> 

  
2 nu in tegenklokzin op de ker n. Op analoge wijze brengt men 3 naar

  
 <EMI ID=10.1> 

  
bewikkeld wordt. Figuur 6 geeft een schets die de methode ruimtelijk voorstelt.

  
Algemeenheid: de hierboven beschreven constructies zijn bruikbaar voor HF transformatoren maar zij kunnen ook toegepast worden voor alle ringkerntransformatoren waar een geringe lekzelfinductie en weerstand belangrijk is.

  
Conclusie: deze transformator heeft als kenmerken: 
- geringe weerstand en lekzelfinductie;
- gelijke draaddikten voor primaire en secunaire wikkelingen;
- gehalveerd aantal sluitingen;
- minder capaciteit tussen wikkelingen.

Claims (1)

1. CONCLUSIES

   1. DC/AC omvormer voor onafhankelijke toepassingen, die een geschakelde pulsbreedte gemoduleerde DC/DC omvormer bevat die door een controle-eenheid wordt bestuurd ten einde vanaf een gelijkspanning een gelijkgerichte sinusoïdale spanning aan een inversiebrug aan te leggen om de gewenste wisselstroom te bekomen, waarbij de DC/DC geschakelde omvormer een scheidingstransformator is en de controie-eenheid een oscillator bevat die een zaagtandspanning met instelbare periode bevat die van buiten af kan worden bevolen en die alternatief de schakelingselementen van de DC/DC vermogenomvormer beveelt, en het uitgangssignaal van deze oseillator eveneens aan de ingang van een comparator wordt aangelegd waarvan de andere ingang een foutsignaal ontvangt, terwijl het uitgangssignaal van deze comparator, bij het overschrijden van het zaagtandsignaal door het foutsignaal,

   het openen veroorzaakt van het op dat ogenblik in de DC/DC vermogenomvormer tot op het einde van de volgende periode gesloten schakelingselement, met het kenmerk dat hogerbedoelde foutsignaal bekomen wordt door de vergelijking tussen van het voor het uitgangs inductie- capaciteit filter van de vermogen DC/DC omvormer aanwezighe blokgolfsignaal met een referentiewaarde die geleverd wordt door een referentie golfvorm waarna het verschilsignaal voortspruitende uit de vergelijking aan een integrator wordt aangelegd waarvan het uitgangssignaal het vereiste foutsignaal is.

   2. Omvormer volgens conclusie 1, met het kenmerk dat de gebruikte integrator een passieve RC integrator is, gevolgd door een correctienet, dat de door deze passieve integrator voortgebrachte vervorming beperkt.

   3. Omvormer volgens conclusie 1, met het kenmerk dat de gebruikte integrator een actieve integrator is, gevormd door een versterker gecombineerd met een RC netwerk.

   4. Omvormer volgens één van de conclusies 1 - 3, met het kenmerk dat hogerbedoeld bloksignaal dat voor de inductie- en capaciteitsfilter aanwezig is, met een na dit filter aanwezig signaal wordt gecombineerd om aan hogerbedoelde integrator te worden aangelegd.

   5. Omvormer volgens één van de conclusies 1 - 4, met het kenmerk dat de goifvorm van de uitgangswisselspanning door de keuze van de referentiegolfvorm gebruikt om de aan hogerbe- <EMI ID=11.1>

   het kenmerk dat met N primaire wikkelingen op een ringkern. de secundaire wikkeling gevormd wordt door N partiële in parallel geschakelde wikkelingen, met een draad waarvan de diameter gelijk is aan deze van de primaire wikkelingen.

   7. Transformator volgens conclusie 6, met het kenmerk dat de primaire wikkelingen gevormd worden door wikkelingen waarvan de wikkelzin telkens geïnverteerd wordt, hetgeen toelaat de naast elkaar voorkomende einden van de wikkelingen onder elkaar verbonden te laten, terwijl de lekinductie en de weerstand beperkt blijven.