CH708040B1 - Electronic power converter and method for its control. - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen elektronischen Leistungswandler sowie ein Verfahren zur Steuerung eines solchen Wandlers. Ein elektronischer Leistungswandler weist Teiltransformatoren (2) auf, die zur Bildung einer Summe von Ausgangsspannungen kombiniert sind. Für jede der Phasen ist eine Schalteinrichtung (1a, 1b, 1c) dazu eingerichtet, eine positive oder negative Phasenspannung oder die Spannung Null an die primärseitige Wicklung eines zugeordneten Teiltransformators (2) anzulegen. Im Betrieb des Wandlers wird mit einer Modulationsfrequenz eine Folge von Spannungspulsen mit der alternierend positiven und negativen jeweiligen Phasenspannung an die primärseitige Wicklung des zugeordneten Teiltransformators (2) gelegt, wobei eine Zeitdauer jedes der Spannungspulse proportional zum momentanen Betrag der jeweiligen Phasenspannung ist, und wobei die Spannungspulse der Schalteinrichtungen (1a, 1b, 1c) synchron zueinander erzeugt werden und jeweils steigende und fallende Flanken der Spannungspulse in jeder Pulshalbperiode zeitlich symmetrisch bezüglich eines gemeinsamen Mittelpunktes liegen. Dadurch resultiert eine Leistungsabgabe an eine Last (16), welche jeweils über eine Periode der Modulationsfrequenz gemittelt, konstant ist.The invention relates to an electronic power converter and a method for controlling such a converter. An electronic power converter has partial transformers (2) combined to form a sum of output voltages. For each of the phases, a switching device (1a, 1b, 1c) is arranged to apply a positive or negative phase voltage or the voltage zero to the primary-side winding of an associated partial transformer (2). In operation of the converter, a sequence of voltage pulses having the alternating positive and negative respective phase voltages is applied to the primary-side winding of the associated sub-transformer (2) at a modulation frequency, a duration of each of the voltage pulses being proportional to the instantaneous magnitude of the respective phase voltage, and wherein Voltage pulses of the switching devices (1a, 1b, 1c) are generated synchronously to each other and each rising and falling edges of the voltage pulses in each pulse half period are symmetrical with respect to a common center. This results in a power output to a load (16), which is averaged over a period of the modulation frequency, constant.
Description
Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft das Gebiet der leistungselektronischen Schaltungen und bezieht sich auf einen AC/DC-Kon-verter zur Leistungsübertragung von einer mehrphasigen Primärseite an eine Sekundärseite oder umgekehrt sowie auf ein Verfahren zu dessen Steuerung.Description: The invention relates to the field of power electronic circuits and relates to an AC / DC converter for power transmission from a multiphase primary side to a secondary side or vice versa and to a method for its control.
[0002] Schaltungen zum Gleichrichten einer Dreiphasen-Netzspannung sind bekannt.Circuits for rectifying a three-phase mains voltage are known.
[0003] Es ist Aufgabe der Erfindung, einen elektronischen Leistungswandler zur Leistungsübertragung von einer mehrphasigen Primärseite an eine Sekundärseite oder umgekehrt sowie ein Verfahren zu dessen Steuerung zu schaffen, welche gegenüber herkömmlichen Wandlern reduzierte Anforderungen an die verwendeten Bauteile aufweisen und dabei eine möglichst konstante Leistungsaufnahme aufweisen.It is an object of the invention to provide an electronic power converter for power transmission from a multiphase primary side to a secondary side or vice versa and a method for its control, which compared to conventional transducers have reduced requirements for the components used and thereby have a very constant power consumption ,
[0004] Die Aufgabe wird durch einen elektronischen Leistungswandler und ein Verfahren zu dessen Steuerung gemäss den entsprechenden unabhängigen Ansprüchen gelöst.The object is achieved by an electronic power converter and a method for controlling it according to the corresponding independent claims.
[0005] In dem Verfahren zur Steuerung eines elektronischen Leistungswandlers zur Leistungsübertragung von einer Primärseite mit mehreren Phasen an eine Gleichspannungsseite oder umgekehrt, wobei • der Leistungswandler für jede der Phasen einen Teiltransformator aufweist, wobei jeweils eine primärseitige Wicklung eines Teiltransformators an eine zugeordnete Schalteinrichtung angeschlossen ist und eine Summenspannung der Teiltransformatoren an einer Sekundärseite der Teiltransformatoren bildbar ist; • für jede der Phasen die Schalteinrichtung dazu eingerichtet ist, eine zugeordnete Phasenspannung oder die negative Phasenspannung oder die Spannung Null an die primärseitige Wicklung des zugeordneten Teiltransformators anzulegen; • der Leistungswandler ein Glättungselement zum Glätten eines sekundärseitigen Stroms aufweist; [0006] Dabei wird jede der Schalteinrichtungen jeweils angesteuert, indem • mit einer Modulationsfrequenz eine Folge von Spannungspulsen mit der alternierend positiven und negativen jeweiligen Phasenspannung an die primärseitige Wicklung des zugeordneten Teiltransformators gelegt wird; • wobei eine Zeitdauer jedes der Spannungspulse proportional zum momentanen Betrag der jeweiligen Phasenspannung ist; und wobei die Spannungspulse der Schalteinrichtungen synchron zueinander erzeugt werden und jeweils steigende und fallende Flanken der Spannungspulse in jeder Pulshalbperiode zeitlich symmetrisch bezüglich eines gemeinsamen Mittelpunktes liegen.In the method for controlling an electronic power converter for power transmission from a primary side with a plurality of phases to a DC side or vice versa, wherein • the power converter for each of the phases has a partial transformer, wherein in each case a primary-side winding of a partial transformer is connected to an associated switching device and a sum voltage of the partial transformers is producible on a secondary side of the partial transformers; • for each of the phases, the switching device is adapted to apply an associated phase voltage or the negative phase voltage or the zero voltage to the primary side winding of the associated partial transformer; The power converter has a smoothing element for smoothing a secondary current; Each of the switching devices is controlled in each case by • with a modulation frequency, a sequence of voltage pulses with the alternating positive and negative respective phase voltage is applied to the primary-side winding of the associated partial transformer; Wherein a duration of each of the voltage pulses is proportional to the instantaneous magnitude of the respective phase voltage; and wherein the voltage pulses of the switching devices are generated synchronously with each other and each rising and falling edges of the voltage pulses in each pulse half-period are temporally symmetrical with respect to a common center.
[0007] Die Primärseite kann an eine Wechselspannung gelegt sein und kann dann auch als Wechselspannungsseite bezeichnet werden. Die Sekundärseite kann an eine Gleichspannung gelegt sein und kann dann auch als Gleichspannungsseite bezeichnet werden.The primary side can be placed on an AC voltage and can then also be referred to as the AC voltage side. The secondary side can be connected to a DC voltage and can then also be referred to as a DC voltage side.
[0008] Weitere bevorzugte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor. Dabei sind Merkmale der Verfahrensansprüche sinngemäss mit den Vorrichtungsansprüchen kombinierbar und umgekehrt.Further preferred embodiments will become apparent from the dependent claims. Characteristics of the method claims are analogously combined with the device claims and vice versa.
[0009] Im Folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:In the following, the subject invention based on preferred embodiments, which are illustrated in the accompanying drawings, explained in more detail. Each show schematically:
Fig. 1 einen elektronischen Leistungswandler;Fig. 1 an electronic power converter;
Fig. 2 niederfrequente Vorgänge im Leistungswandler;Fig. 2 low-frequency processes in the power converter;
Fig. 3 hochfrequente Vorgänge im Leistungswandler; undFIG. 3 shows high-frequency processes in the power converter; FIG. and
Fig. 4 eine Variante des elektronischen Leistungswandlers mit einer Last an einem Serien-LC-Resonanzkreis.4 shows a variant of the electronic power converter with a load on a series LC resonant circuit.
[0010] Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.Basically, the same parts are provided with the same reference numerals in the figures.
[0011] Fig. 1 zeigt einen elektronischen Leistungswandler 1 mit drei Teiltransformatoren 2a, 2b, 2c, wobei jeweils eine primärseitige Wicklung eines Teiltransformators 2a, 2b, 2c an eine zugeordnete Schalteinrichtung (oder Phasenschaltstufe) 1a, 1b, 1c angeschlossen ist. Sekundärseitige Wicklungen der Teiltransformatoren 2a, 2b, 2c sind in Serie geschaltet, wodurch im Betrieb der Schaltung eine Summenspannung u über die gleichspannungsseitigen Wicklungen bildbar ist.Fig. 1 shows an electronic power converter 1 with three partial transformers 2a, 2b, 2c, wherein in each case a primary-side winding of a partial transformer 2a, 2b, 2c to an associated switching device (or phase switching stage) 1a, 1b, 1c is connected. Secondary windings of the partial transformers 2a, 2b, 2c are connected in series, whereby a sum voltage u on the DC side windings can be formed during operation of the circuit.
[0012] Die Transformatoren der Phasen können wie gezeigt getrennt als separate Teiltransformatoren 2a, 2b, 2c ausgeführt sein. Die Teiltransformatoren können stattdessen aber auch in einem gemeinsamen magnetischen Bauelement vereint sein. Eine solche integrierte Lösung ist so ausgebildet, dass jeder Phase ein Magnetkern mit zwei Schenkeln zugeordnet wird und auf einem ersten Schenkel die jeweilige Primärwicklung angeordnet wird. Die Sekundärwicklung wird nun nur einmal und für alle Phasen gemeinsam ausgeführt, und umschliesst alle zweiten Schenkel der Magnetkerne der Teiltransformatoren. Es resultiert eine Addition der magnetischen Flüsse durch die Sekundärwicklung und somit auch der Flussänderung im Transformator und somit tritt an der Sekundärwicklung dieselbe Summe der Sekundärspannungen auf wie bei der Serienschaltung der separaten Teiltransformatoren 2a, 2b, 2c. Damit ist die Serienschaltung der Teilspannungen konstruktiv einfach realisiert.As shown, the transformers of the phases may be implemented separately as separate partial transformers 2a, 2b, 2c. Instead, the partial transformers can also be combined in a common magnetic component. Such an integrated solution is designed so that each phase is assigned a magnetic core with two legs and on a first leg, the respective primary winding is arranged. The secondary winding is now executed only once and for all phases together, and encloses all second legs of the magnetic cores of the partial transformers. The result is an addition of the magnetic flux through the secondary winding and thus the flux change in the transformer and thus occurs at the secondary winding the same sum of secondary voltages as in the series connection of the separate partial transformers 2a, 2b, 2c. Thus, the series connection of the partial voltages is structurally simple realized.
[0013] Für jede der Phasen ist die Schalteinrichtung 1a, 1b, 1c (auch Phasenmodul genannt) dazu eingerichtet, die jeweilige zugeordnete Phasenspannung oder die negative Phasenspannung oder die Spannung Null, also beispielsweise einen Kurzschluss, an die primärseitige Wicklung des zugeordneten Teiltransformators 2a, 2b, 2c anzulegen. Im gezeigten Beispiel ist dafür eine Diodenbrücke 11 als Gleichrichter und eine anschliessende (Voll-)Brückenschaltung 12 mit aktiven Schaltern T-n, T12, T21, T22 vorgesehen.For each of the phases, the switching device 1a, 1b, 1c (also called phase module) is adapted to the respective associated phase voltage or the negative phase voltage or the voltage zero, so for example a short circuit, to the primary-side winding of the associated partial transformer 2a, 2b, 2c create. In the example shown, a diode bridge 11 is provided as a rectifier and a subsequent (full) bridge circuit 12 with active switches T-n, T12, T21, T22.
[0014] Eine Eingangsfilterkapazität Cf kann zur Glättung der pulsförmigen Eingangsströme der Brückenschaltung angeordnet sein. Im gezeigten Beispiel ist diese Eingangsfilterkapazität CF zwischen einem Eingangsphasenanschluss 13 und einem gemeinsamen Sternpunkt 14 der Eingangsfilterkapazitäten CF und auch der Schalteinrichtungen 1a, 1b, 1c eingezeichnet. Sie kann aber in funktional äquivalenter Weise auch jeweils zwischen dem Eingangsphasenanschluss 13 und einem zweiten Diodenbrückenzweigmittelpunkt 15 angeordnet sein.An input filter capacitance Cf may be arranged for smoothing the pulse-shaped input currents of the bridge circuit. In the example shown, this input filter capacitance CF is drawn between an input phase connection 13 and a common neutral point 14 of the input filter capacitances CF and also of the switching devices 1a, 1b, 1c. However, it can also be arranged in a functionally equivalent manner between the input phase connection 13 and a second diode bridge branch center 15.
[0015] Eine Eingangsfilterinduktivität LF kann zur Glättung eines jeweiligen Phasenstromes in Verbindung mit der Eingangsfilterkapazität CF vorliegen; sie kann Teil der Schalteinrichtung 1a, 1b, 1c sein oder Teil einer externen Beschaltung.An input filter inductor LF may be present for smoothing a respective phase current associated with the input filter capacitance CF; it may be part of the switching device 1a, 1b, 1c or part of an external circuit.
[0016] Die Schalteinrichtungen 1a, 1b, 1c bilden hier eine Sternschaltung mit einem ersten Sternpunkt 15a. Die Eingangsfilterkapazitäten CF bilden ebenfalls eine Sternschaltung, mit einem zweiten Sternpunkt 14. Die Sternpunkte 14, 15a der beiden Sternschaltungen können, wie hier strichliert gezeigt, miteinander verbunden sein. Bei der Ausführung als Sternschaltung ist mindestens einer der Sternpunkte 14, 15a vorteilhaft mit einem vorhandenen Nullleiter zu verbinden. Ist kein Nullleiter vorhanden, wird vorteilhaft ein virtueller Sternpunkt 14 durch Sternschaltung von drei Filterkondensatoren gebildet und der Sternpunkt 15a der Phasensysteme oder Schalteinrichtungen 1a, 1b, 1c mit diesem verbunden, wie im vorliegenden Beispiel.The switching devices 1a, 1b, 1c here form a star connection with a first neutral point 15a. The input filter capacitances CF likewise form a star connection, with a second star point 14. The neutral points 14, 15a of the two star circuits can be connected to one another, as shown here by dashed lines. In the embodiment as a star connection, at least one of the neutral points 14, 15a is advantageously to be connected to an existing neutral conductor. If no neutral conductor is present, a virtual neutral point 14 is advantageously formed by star connection of three filter capacitors, and the star point 15a of the phase systems or switching devices 1a, 1b, 1c is connected thereto, as in the present example.
[0017] Statt einer eingangsseitigen Sternschaltung ist auch eine Dreieckschaltung einsetzbar. Ein Vorteil derselben ist: Die einzelnen Einheiten sind dann entkoppelt, da die Aussenleiterspannungen auch bei Speisung über nur drei Leiter (also in einem Dreileiternetz ohne Nullleiter) durch das Netz eingeprägt sind. Ein Nachteil ist, dass die Eingangsspannung höher als bei einer Sternschaltung ist (um einen Faktor Wurzel 3). Entsprechend tritt eine höhere Spannungsbelastung der Leistungshalbleiter auf, womit sich die Auswahl an, für die praktische Schaltungsrealisierung einsetzbaren unipolarerer Leistungstransistoren mit geringem Einschaltwiderstand MOSFETS verringert.Instead of an input-side star connection and a delta connection is used. One advantage of this is: The individual units are then decoupled, since the outer conductor voltages are impressed through the network even when supplied via only three conductors (that is, in a three-core network without a neutral conductor). A disadvantage is that the input voltage is higher than with a star connection (by a factor of 3). Accordingly, a higher voltage loading of the power semiconductors occurs, thus reducing the selection of usable for the practical circuit realization unipolar power transistors with low on-resistance MOSFETS.
[0018] Die gezeigten Schalteinrichtungen 1a, 1b, 1c zur Erzeugung jeweils der an die Transformatorprimärwicklung einer Phase gelegten Spannung sind mit einem geringen Realisierungsaufwand in Leistungs- und Steuerteil durch Kopplung einer Diodenbrücke 11 (zur Gleichrichtung) und einer nachfolgende Vollbrückenschaltung 12 zweistufig implementiert. Es kann zwischen diesen beiden Stufen zusätzlich ein Schaltüberspannungen limitierender jedoch die Ausgangsspannung der Diodengleichrichtung nicht wesentlich beeinflussender Kondensator eingesetzt sein.The shown switching devices 1a, 1b, 1c for generating in each case the voltage applied to the transformer primary winding of a phase voltage are implemented with a low implementation effort in power and control part by coupling a diode bridge 11 (for rectification) and a subsequent full bridge circuit 12 in two stages. It can be used between these two stages in addition a switching overvias limiting but not significantly influencing the output voltage of the diode rectification capacitor.
[0019] Alternativ zu einer zweistufigen Schaltung können die Schalteinrichtungen 1a, 1b, 1c jeweils durch eine Vollbrückenschaltung mit Vierquadrantenschaltern realisiert sein. Ein Vierquadrantenschalter erlaubt einen Stromfluss in beiden Richtungen und eine Sperrung von Spannungen beider Polaritäten und ist in bekannter Weise durch Kombination aktiver und passiver unidirektionär, unipolarer Leistungshalbleiter zu realisieren.As an alternative to a two-stage circuit, the switching devices 1a, 1b, 1c can be realized in each case by a full-bridge circuit with four-quadrant switches. A four-quadrant switch allows a current flow in both directions and a blocking of voltages of both polarities and can be realized in a known manner by combining active and passive unidirectional, unipolar power semiconductors.
[0020] Sekundärseitig weist der Leistungswandler einen Gleichrichter 3 zum Gleichrichten der Summenspannung u und eine Induktivität L als Glättungselement 4 zum Glätten eines sekundärseitigen Stroms i auf. Dieser sekundärseitige Strom i ist also jener, der durch die Serienschaltung der sekundärseitigen Wicklungen der Teiltransformatoren 2a, 2b, 2c fliesst. Eine Ausgangsfilterkapazität C kann als Glättungskapazität zum Bilden einer geglätteten Ausgangsspannung u0Ut des Gleichrichters 3 angeordnet sein. Ein Verbraucher oder eine Last 16 wird mit der Ausgangsspannung gespeist.On the secondary side, the power converter has a rectifier 3 for rectifying the sum voltage u and an inductance L as a smoothing element 4 for smoothing a secondary-side current i. This secondary-side current i is therefore that which flows through the series connection of the secondary-side windings of the partial transformers 2a, 2b, 2c. An output filter capacitance C may be arranged as a smoothing capacitance for forming a smoothed output voltage u0Ut of the rectifier 3. A load or load 16 is supplied with the output voltage.
[0021] Die Schaltung kann wie folgt betrieben werden: Synchron zueinander, mit einer gemeinsamen Modulationsfrequenz, werden in den Schalteinrichtungen Spannungspulse erzeugt, deren Breite, entsprechend einem Aussteuerungsgrad oder «duty-cycle» gemäss einem Modulationssignal moduliert wird. Das Modulationssignal wird als Betrag eines Sinussignales gebildet. Dabei ist das Modulationssignal synchron und gleichphasig zur Phasenspannung, mit welcher die jeweilige Schalteinrichtung gespeist ist. Das Modulationssignal für jede der Schalteinrichtungen kann also durch Gleichrichten und entsprechende Amplitudenskalierung der jeweiligen Phasenspannung gebildet werden.The circuit can be operated as follows: Synchronous to each other, with a common modulation frequency, voltage pulses are generated in the switching devices whose width is modulated according to a degree of modulation or duty cycle according to a modulation signal. The modulation signal is formed as the amount of a sine signal. In this case, the modulation signal is synchronous and in phase with the phase voltage with which the respective switching device is fed. The modulation signal for each of the switching devices can therefore be formed by rectification and corresponding amplitude scaling of the respective phase voltage.
[0022] Fig. 2 zeigt niederfrequente Vorgänge im Leistungswandler, d.h. Vorgänge im Bereich einer Grundfrequenz der Phasenspannungen, hier über eine Periode, beispielhaft 20 ms. In der Regel ist die Grundfrequenz eine Netzfrequenz eines Dreiphasennetzes, beispielsweise 50Hz oder 16 2/3 Hz. Die Phasenspannungen sind in Fig. 2 (a) gezeigt, die dazugehörigen Modulationssignale in Fig. 2 (b).Fig. 2 shows low-frequency processes in the power converter, i. Operations in the range of a fundamental frequency of the phase voltages, here over a period, for example 20 ms. As a rule, the fundamental frequency is a mains frequency of a three-phase network, for example 50 Hz or 16 2/3 Hz. The phase voltages are shown in FIG. 2 (a), the associated modulation signals in FIG. 2 (b).
[0023] Die Modulationsfrequenz kann mindestens so hoch sein wie das 6-Fache der Grundfrequenz, insbesondere zumindest um das Hundertfache höher als die Grundfrequenz. Die Modulationsfrequenz kann auch abhängig von der Nennleistung so hoch gewählt werden, dass kein hörbares Betriebsgeräusch des Leistungswandlers auftritt.The modulation frequency can be at least as high as 6 times the fundamental frequency, in particular at least one hundred times higher than the fundamental frequency. The modulation frequency can also be chosen so high depending on the rated power that no audible operating noise of the power converter occurs.
[0024] Fig. 3 zeigt hochfrequente Vorgänge im Leistungswandler. In Fig. 3(a) sind die jeweils mit der Modulationsfrequenz an die primärseitigen Wicklungen gelegten und auf die Gleichspannungsseite transformierten Spannungsblöcke im Verlauf der sekundärseitigen Spannungen ua, ub, uc gezeigt. Die Spannungsblöcke werden in jeder Phase entsprechend der Modulationsfrequenz alternierend positiv und negativ erzeugt. Die Mitten der Pulse der verschiedenen Phasen sind gleichzeitig, die Modulation der Pulsbreiten findet um diese gemeinsame Mitte statt. Mit anderen Worten sind also die Pulse jeweils zeitlich symmetrisch bezüglich eines gemeinsamen Mittelpunktes gelegt. Über die Zeitdauer der Darstellung in Fig. 3 (a) sind die Amplituden und somit auch die Aussteuerung (entsprechend der Pulsbreite) der einzelnen Spannungsblöcke über die sichtbaren mehren Perioden der Modulationsfrequenz quasi konstant. Über eine längere Zeitdauer, also über eine Periode der Grundfrequenz oder Netzfrequenz, verändern sich diese proportional zur jeweiligen Phasenspannung.Fig. 3 shows high-frequency processes in the power converter. In FIG. 3 (a), the voltage blocks each with the modulation frequency applied to the primary side windings and transformed to the DC side are shown in the course of the secondary side voltages ua, ub, uc. The voltage blocks are alternately generated positive and negative in each phase according to the modulation frequency. The centers of the pulses of the different phases are simultaneous, the modulation of the pulse widths takes place around this common center. In other words, the pulses are each time symmetrical with respect to a common center. Over the time duration of the illustration in FIG. 3 (a), the amplitudes and thus also the modulation (corresponding to the pulse width) of the individual voltage blocks are virtually constant over the visible multiple periods of the modulation frequency. Over a longer period of time, ie over a period of the fundamental frequency or mains frequency, they change in proportion to the respective phase voltage.
[0025] Aus der oben beschriebenen Vorschrift zur Modulation der Spannungen an den primärseitigen Wicklungen ergibt sich Folgendes: • Die Amplituden der einzelnen Spannungspulse sind proportional zur momentanen Eingangsspannung der jeweiligen Phase, weisen also einen sinusförmigen Verlauf mit der Grundfrequenz auf. Fig. 2 (c) zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannungspulse in den drei Schalteinrichtungen 1a, 1b, 1c wie in der Fig. 3 (a), aber über eine Periode der niederfrequenten Grundfrequenz hinweg. Dabei sind wegen des hochfrequenten Verlauf der Spannungspulse keine einzelnen Pulse sichtbar, sondern nur jeweils eine Enveloppe. Es ist also sichtbar, wie die Maxima der Enve-loppen der Spannungspulse entsprechend den zugeordneten Phasenspannungen einander mit einer Phasenverschiebung von 120° ablösen. • Die Dauer der einzelnen Spannungspulse weist, aufgrund der Art, wie das Modulationssignal gebildet ist, über mehrere Spannungspulse hinweg ebenfalls einen sinusförmigen Verlauf mit der Grundfrequenz auf. Dies ist in der Fig. 3 (a) erkennbar. • Daraus folgt, dass die Spannungs-Zeit-Fläche der Spannungspulse einer Phase gemäss dem Quadrat einer Sinusfunktion der Zeit verläuft. Die über mehrere Phasen respektive mit der Modulationsfrequenz auftretenden Pulse gemittelte Spannung verläuft also ebenfalls gemäss dieser Funktion. • Die Leistung, welche durch eine einzelne Phase in den Leistungswandler 1 fliesst, über die mit der Modulationsfrequenz auftretenden Pulse gemittelt und bei quasikonstantem sekundärseitigem Strom i, ist somit ebenfalls proportional zu dem Quadrat einer Sinusfunktion. • Als Summe der Leistungen, die durch die drei Phasen, jeweils mit einer Phasenverschiebung von 120°, aus den Sekundärwicklungen der Transformatoren 2 fliesst, ergibt sich eine konstante Leistung. Der Leistungswandler 1 gibt also konstante Leistung ab und erscheint damit, da der Leistungswandler 1 keine wesentlichen Energiespeicher aufweist, der Wechselspannung als Last mit konstanter Leistungsaufnahme, womit eine sinusförmige Stromaufnahme resultiert.From the above-described rule for the modulation of the voltages on the primary-side windings, the following results: • The amplitudes of the individual voltage pulses are proportional to the instantaneous input voltage of the respective phase, thus have a sinusoidal curve at the fundamental frequency. Fig. 2 (c) shows the time course of the voltage pulses in the three switching devices 1a, 1b, 1c as in Fig. 3 (a), but over a period of the low-frequency fundamental frequency. Due to the high-frequency course of the voltage pulses, no individual pulses are visible, but only one envelope at a time. It is therefore visible how the maxima of the voltage peaks of the voltage pulses corresponding to the associated phase voltages replace each other with a phase shift of 120 °. Due to the way in which the modulation signal is formed, the duration of the individual voltage pulses likewise has a sinusoidal profile with the fundamental frequency over several voltage pulses. This can be seen in FIG. 3 (a). • It follows that the voltage-time surface of the voltage pulses of a phase runs according to the square of a sinusoidal function of time. The voltage averaged over several phases or with the modulation frequency thus also runs according to this function. The power flowing through a single phase into the power converter 1, averaged over the pulses occurring at the modulation frequency and at quasi-constant secondary-side current i, is thus also proportional to the square of a sinusoidal function. • As a sum of the power, which flows through the three phases, each with a phase shift of 120 °, from the secondary windings of the transformers 2, results in a constant power. The power converter 1 thus outputs constant power and thus appears, since the power converter 1 has no significant energy stores, the AC voltage as a load with constant power consumption, resulting in a sinusoidal current consumption.
[0026] Mit anderen Worten: Die Steuerung aller Phasen erfolgt synchron, d.h. mit gleicher Taktfrequenz entsprechend der Modulationsfrequenz und derart, dass die Symmetrieachsen der positiven und negativen Spannungspulse jeder Phase zusammenfallen und im einfachsten Fall jeweils Pulse unterschiedlichen Vorzeichens aufeinander folgen, und so die Primärwicklung des Transformators einer Phasenstufe gleichanteilfrei gespeist wird. Für die Erzeugung dieser Spannungsformen kann in an sich bekannter Weise in jeder Phase ein Modulator eingesetzt werden, welcher im Sinne einer einfachen Pulsbreitenmodulation oder einer Phasenverschiebungssteuerung ausgebildet sein kann. Für die einfache Pulsbreitenmodulation sind während des Anlegens positiver oder negativer Spannung an die Primärwicklung eines der Teiltransformatoren jeweils die einander diagonal gegenüberliegenden Transistoren (beispielsweise T-n und T22 oder T12 und T21) eingeschaltet, und in den übrigen Zeitabschnitten alle Transistoren der Brückenschaltung der Phase gesperrt.In other words, the control of all phases is synchronous, i. with the same clock frequency according to the modulation frequency and such that the axes of symmetry of the positive and negative voltage pulses of each phase coincide and follow each other in the simplest case pulses of different sign, and so the primary winding of the transformer of a phase stage is fed without equal. For the generation of these voltage forms, a modulator can be used in a known manner in each phase, which can be designed in the sense of a simple pulse width modulation or a phase shift control. For the simple pulse width modulation during the application of positive or negative voltage to the primary winding of one of the partial transformers each diagonally opposite transistors (for example T-n and T22 or T12 and T21) are turned on, and locked in the remaining periods all the transistors of the bridge circuit of the phase.
[0027] Alternativ können beide Brückenzweige mit 50% Tastverhältnis getaktet werden (während der ersten Hälfte einer Taktperiode ist der obere Leistungstransistor T-n respektive T12, während der zweiten Hälfte der Taktperiode jeweils der untere Leistungstransistor T21 respektive T22 eines Brückenzweiges eingeschaltet). Die gewünschte Ausgangsspannungsform wird dann durch Phasenverschiebung der 50%-Ansteuersignale der beiden Brückenzweige gebildet.Alternatively, both bridge branches can be clocked at 50% duty cycle (during the first half of a clock period, the upper power transistor T-n and T12, respectively, during the second half of the clock period, the lower power transistor T21 and T22 of a bridge branch turned on). The desired output voltage waveform is then formed by phase shifting the 50% drive signals of the two bridge branches.
[0028] Alternativ kann anstelle nur eines (positiven oder negativen) Rechteck-Einzelimpulses je Pulshalbperiode auch eine Sequenz mehrerer unipolarer Pulse erzeugt werden. Beispielsweise wird ein positiver Rechteckimpuls dann durch mehrere positive Rechteckimpulse geringerer Breite ersetzt, deren Pulsbreite z.B. sinusförmig so verändert wird, sodass nach lokaler Mittelung eine Sinusschwingung approximiert wird, deren Amplitude gleich der schaltfrequenten Grundschwingung des ursprünglichen Rechtecksignales ist. Auch hier sind die Mittelachsen der Einzelimpulse der Phasen wieder vorteilhaft übereinanderliegend zu wählen oder ist eine Phasenversetzung so vorzusehen, so dass der Oberschwingungsgehalt der letztlich gebildeten Summe der Sekundärspannung einen minimalen Wert aufweist.Alternatively, instead of only one (positive or negative) rectangular single pulse per pulse half period and a sequence of multiple unipolar pulses are generated. For example, a positive square pulse is then replaced by a plurality of smaller width positive rectangular pulses whose pulse width is e.g. is sinusoidally changed so that after local averaging a sine wave is approximated whose amplitude is equal to the switching frequency fundamental of the original square wave signal. Here, too, the center axes of the individual pulses of the phases are again advantageously to be selected one above the other or a phase offset is to be provided so that the harmonic content of the ultimately formed sum of the secondary voltage has a minimum value.
[0029] Neben der vorstehend beschriebenen Grundform der Schalteinrichtungen 1a, 1b, 1c und deren Steuerung durch Pulsbreitenmodulation ist auch eine Erweiterung zu Resonanzkonvertern denkbar, wobei dann in bekannter Form neben der Regelung über Änderung der Pulsbreite auch ein Regeleingriff über Frequenzänderung erfolgen kann, wobei hier jedoch die Frequenz aller Schaltstufen gleich zu verändern ist, sodass das für die Pulsbreitenmodulation beschriebene Zusammenfallen der Symmetrieachsen für die Spannungsbildung sinngemäss weiter erhalten bleibt.In addition to the above-described basic form of the switching devices 1a, 1b, 1c and their control by pulse width modulation, an extension to resonant converters is conceivable, in which case in addition to regulating the change in the pulse width and a control intervention via frequency change can take place in a known form, here However, the frequency of all switching stages is the same to change, so that the collapse of the symmetry axes for the voltage formation described for the pulse width modulation remains analogously further.
[0030] Sekundärseitig werden die transformierten Spannungspulse mit den Verläufen ua, ub, uc zu einer Gesamtspannung u summiert. Der Verlauf der Gesamtspannung u ist in Fig. 3 (b) dargestellt: Die Gesamtspannung u variiert mit der Modulationsfrequenz, wobei aber die Amplitude über mehrere Perioden mit der Modulationsfrequenz konstant bleibt. Die Leistung, jeweils über eine Periode der Modulationsfrequenz gemittelt, bleibt wie schon erwähnt ebenfalls konstant. Fig. 2 (d) zeigt ebenfalls die Gesamtspannung u über eine Periode der niederfrequenten Grundfrequenz hinweg. Die Enveloppe weist einen Rippel mit der sechsfachen Grundfrequenz auf. Da die einzelnen Pulse der Gesamtspannung, entsprechend Fig. 3 (b), unterschiedliche Breiten aufweisen, ist der Mittelwert der Amplitude dabei trotzdem konstant.On the secondary side, the transformed voltage pulses with the gradients ua, ub, uc are summed up to a total voltage u. The course of the total voltage u is shown in FIG. 3 (b): the total voltage u varies with the modulation frequency, but the amplitude remains constant over several periods with the modulation frequency. The power, averaged over a period of the modulation frequency, remains constant, as already mentioned. Fig. 2 (d) also shows the total voltage u over a period of the low-frequency fundamental frequency. The envelope has a ripple at six times the fundamental frequency. Since the individual pulses of the total voltage, corresponding to FIG. 3 (b), have different widths, the mean value of the amplitude is nevertheless constant.
[0031] Um die Gesamtspannung u und damit auch die übertragene Leistung zu steuern, kann der Modulationsgrad bei allen drei Phasen in gleichen Verhältnis variiert werden. Die Verhältnisse der drei Spannungen ua, ub, uc bleiben dabei gleich, und die Gesamtspannung wird dadurch im gleichen Verhältnis variiert. Die Ausgangsspannung wird also über den Modulationsgrad der Schalteinrichtungen 1a, 1b, 1c eingestellt bzw. geregelt. Wie oben angemerkt, variieren die Breiten der Spannungspulse über die Netzperiode entsprechend den zugeordneten Phasenspannungen bzw. entsprechend den Gleichrichterausgangsspannungen in den Schalteinrichtungen 1a, 1b, 1c, d.h., die Pulsbreite kann von einem sinusförmigen, der jeweiligen Phasenspannung proportionalen Modulationssignal abgeleitet gedacht werden. Bei Änderung des Modulationsgrades werden in allen Phasen die Amplituden dieser Modulationssignale gleichartig geändert. Bei Vollaussteuerung weisen in jeder Phase die Spannungspulse im Maximum der zugeordneten Phasenspannung eine symmetrische Rechteckform auf, d.h. sie verbleiben für die erste Hälfte der Pulsperiode auf dem positiven Wert der Phasenspannung und wechseln dann für die zweite Hälfte der Pulsperiode auf den negativen Wert der Phasenspannung. Bei Absenkung des Aussteuergrades tritt neben dem positiven und negativen Spannungswert auch der Spannungswert Null auf. Für Aussteuerung Null wird keine Spannung gebildet, d.h. die Nullintervalle nehmen die gesamte Dauer einer Pulsperiode ein.In order to control the total voltage u and thus also the transmitted power, the degree of modulation can be varied in all three phases in the same ratio. The ratios of the three voltages ua, ub, uc remain the same, and the total voltage is thereby varied in the same ratio. The output voltage is thus adjusted or regulated via the degree of modulation of the switching devices 1a, 1b, 1c. As noted above, the widths of the voltage pulses over the line period vary according to the associated phase voltages and rectifier output voltages, respectively, in the switching devices 1a, 1b, 1c, i.e. the pulse width can be thought of as derived from a sinusoidal modulation signal proportional to the respective phase voltage. When changing the degree of modulation, the amplitudes of these modulation signals are changed the same way in all phases. At full scale in each phase, the voltage pulses in the maximum of the associated phase voltage have a symmetrical rectangular shape, i. E. they remain at the positive value of the phase voltage for the first half of the pulse period and then change to the negative value of the phase voltage for the second half of the pulse period. When lowering the Aussteuergrades occurs in addition to the positive and negative voltage value and the voltage value zero. For zero control no voltage is formed, i. the zero intervals occupy the entire duration of a pulse period.
[0032] Die Gesamtspannung u wird durch den Gleichrichter 3 gleichgerichtet. Der Ausgangsstrom des Gleichrichters wird wie bereits erwähnt durch die Induktivität L geglättet. Die Ausgangsspannung u0Ut wird durch die Ausgangsfilterkapazität C geglättet respektive über die Intervalle gemäss der Modulationsfrequenz gemittelt.The total voltage u is rectified by the rectifier 3. The output current of the rectifier is smoothed as already mentioned by the inductance L. The output voltage u0Ut is smoothed by the output filter capacitance C or averaged over the intervals according to the modulation frequency.
[0033] Da die Glättung durch die Ausgangsfilterkapazität C und die Induktivität L nur im hochfrequenten Bereich der Modulationsfrequenz stattfinden muss, werden die Anforderungen an die Grösse respektive Kapazität und Induktivität dieser Bauteile wesentlichen kleiner. Dementsprechend kann die Schaltung mit wesentlich kleineren Bauteilen realisiert werden.Since the smoothing by the output filter capacitance C and the inductance L must take place only in the high-frequency range of the modulation frequency, the requirements for the size or capacity and inductance of these components are substantially smaller. Accordingly, the circuit can be realized with much smaller components.
[0034] Für die ausgangsseitige Gleichrichterschaltung sind neben der Vollbrückenschaltung auch andere bekannte Gleichrichterkonzepte, insbesondere eine Mittelpunktschaltung oder eine Stromverdopplungsgleichrichtung («current doubler rectifier») einsetzbar.For the output side rectifier circuit in addition to the full bridge circuit, other known rectifier concepts, in particular a center circuit or a current doubler rectifier ("current doubler rectifier") can be used.
[0035] Die Induktivität prägt auf der Gleichspannungsseite einen Strom i ein, welcher durch die Serieschaltung der sekundärseitigen Wicklungen fliesst. Ein transformierter Strom fliesst somit auch durch die wechselstromseitigen Wicklungen der Teiltransformatoren 2a, 2b, 2c. Je nach Schaltzustand der jeweiligen Schalteinrichtung 1a, 1b, 1c fliesst dieser Strom • falls Spannung Null (ein Kurzschluss über zwei der aktiven Schalter) am Teiltransformator angelegt ist, im Kreis durch die Brückenschaltung 12 mit aktiven Schaltern; • jeweils als Busstrom iA, iB, ic von der Diodenbrücke 11 zur Brückenschaltung 12. Der Busstrom iA, iB, ic in jeder Phase ist somit ein pulsbreitenmodulierter Strom mit konstanter Amplitude. Die Pulsbreite ist dieselbe wie die des entsprechenden Spannungspulses, also auch proportional zur entsprechenden Phasenspannung. Fig. 3 (c) zeigt diese Pulse der Busströme iA, iB, ic mit einer Auflösung entsprechend der Modulationsfrequenz. Fig. 2 (e) zeigt einen der Busströme iA wobei die einzelnen Pulse nicht sichtbar sind. • Wegen der Gleichrichtung durch die Diodenbrücke erscheinen die Busströme iA, iB, ic an den Phasen als Phasenströme mit netzspannungsfrequent variierendem Vorzeichen. Dies ist ebenfalls in Fig. 2 (e) für den zum erwähnten Busstrom iA gehörigen Phasenstrom iitliA dargestellt. Die Filterung durch die Eingangsfilterkapazität CF und die Eingangsfilterinduktivität LF bewirkt, dass aus den pulsbreitenmodulierten Strompulsen des Busstroms iA ein geglätteter Phasenstrom iin,A entsteht. • Da die Pulsbreiten dieser Strompulse wie schon erwähnt proportional zur entsprechenden Phasenspannung sind, ist auch der geglättete Phasenstrom iin,A proportional zur entsprechenden Phasenspannung. Dies ist in Fig. 2 (f) dargestellt.The inductance impresses on the DC side a current i, which flows through the series connection of the secondary-side windings. A transformed current thus flows through the AC-side windings of the partial transformers 2a, 2b, 2c. Depending on the switching state of the respective switching device 1a, 1b, 1c, this current flows • if voltage zero (a short circuit across two of the active switches) is applied to the partial transformer, in a circle through the bridge circuit 12 with active switches; In each case as bus current iA, iB, ic from the diode bridge 11 to the bridge circuit 12. The bus current iA, iB, ic in each phase is thus a pulse width modulated current with a constant amplitude. The pulse width is the same as that of the corresponding voltage pulse, thus also proportional to the corresponding phase voltage. Fig. 3 (c) shows these pulses of the bus currents iA, iB, ic with a resolution corresponding to the modulation frequency. Fig. 2 (e) shows one of the bus currents iA with the individual pulses not visible. • Because of the rectification by the diode bridge, the bus currents iA, iB, ic appear at the phases as phase currents with mains voltage frequency varying sign. This is likewise shown in FIG. 2 (e) for the phase current iitliA belonging to the mentioned bus current iA. The filtering by the input filter capacitance CF and the input filter inductance LF causes a smoothed phase current iin, A to emerge from the pulse width modulated current pulses of the bus current iA. As the pulse widths of these current pulses are, as already mentioned, proportional to the corresponding phase voltage, the smoothed phase current iin, A is also proportional to the corresponding phase voltage. This is shown in Fig. 2 (f).
[0036] Damit ist der Leistungsfaktor 1; der elektronische Leistungswandler 1 erscheint an jeder Phase als rein ohmsche Last.Thus, the power factor is 1; the electronic power converter 1 appears at each phase as a purely resistive load.
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