DD250412A1

DD250412A1 - METHOD AND ARRANGEMENT FOR POTENTIAL-SEPARATED ENERGY TRANSMISSION BZW. - CONVERSION BY MEANS OF A CONTACT TRANSFORMER

Info

Publication number: DD250412A1
Application number: DD29179986A
Authority: DD
Inventors: Helmut Hanisch; Eckhard Thal
Original assignee: Elektroprojekt Anlagenbau Veb
Priority date: 1986-06-27
Filing date: 1986-06-27
Publication date: 1987-10-08

Abstract

Verfahren und Anordnung zur potentialgetrennten Energieuebertragung bzw. -wandlung mittels einer Gegentakt-Wandlerschaltung, die mit einem Uebertrager, welcher wechselweise gegenphasig in Abhaengigkeit von der zulaessigen maximalen positiven und negativen magnetischenInduktion an eine pulsierende Eingangsgleichspannung angeschlossen wird, ausgeruestet ist. Fig. 1Method and arrangement for electrically isolated energy transfer by means of a push-pull converter circuit equipped with a transformer, which is alternately connected in anti-phase as a function of the permissible maximum positive and negative magnetic induction to a pulsating input direct voltage. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur potentialgetrennten Energieübertragung bzw. -Wandlung mittels eines Gegentaktwandlers und ist für einen Einsatz insbesondere bei Umrichtern vorgesehen.The invention relates to a method and an arrangement for electrically isolated energy transmission or conversion by means of a push-pull converter and is intended for use in particular in converters.

Characteristic of the known technical solutions

Zur Übertragung elektrischer Energie sind Verfahren bekannt, bei denen die Primärwicklungen eines Gegentaktübertragers mit einer bestimmten Taktfrequenz im Gegentakt an eine Gleichspannungsquelle angeschaltet werden. Solange die zur Verfügung stehende Gleichspannung eine geringe Welligkeit aufweist, d. h. also durch entsprechende Glättungsglieder geglättet wurde, kann durch einfache Optimierung eine relativ gute Ausnutzung des Kernmaterials des Übertragers, insbesondere auch durch die größtmögliche Ausnutzung des Induktionshubes, gewährleistet werden. Die Folgefrequenz der Ummagnetisierungsvorgänge wird durch einen externen Taktfrequenzgenerator vorgegeben. Dabei erfolgt die Wahl der Taktfrequenz im Interesse einer maximalen Kernausnutzung derart, daß bei der höchsten betriebsmäßig auftretenden Gleichspannung der erlaubte Bereich des Induktionshubes nicht überschritten wird.For the transmission of electrical energy, methods are known in which the primary windings of a push-pull transformer are switched on at a specific clock frequency in push-pull to a DC voltage source. As long as the available DC voltage has a low ripple, d. H. has been smoothed by appropriate smoothing members, a relatively good utilization of the core material of the transformer, in particular by the maximum utilization of the induction stroke can be ensured by simple optimization. The repetition frequency of the Ummagnetisierungsvorgänge is specified by an external clock frequency generator. In this case, the choice of the clock frequency in the interest of maximum core utilization is such that at the highest operationally occurring DC voltage of the permitted range of the induction stroke is not exceeded.

Bei geringeren Anforderungen an die Welligkeit sowohl der Eingangs- aus auch Ausgangsspannung, d.h. wenn als Eingangsspannung eine pulsierende Gleichspannung anliegt, tritt eine erhebliche Verschlechterung der Ausnutzung des magnetischen Kernmaterials auf, da ausgehend von den betriebsmäßigen Schwankungen der Eingangsspannung der magnetische Kern bei konstanter Taktfrequenz im wesentlichen im Unterspannungsbereich betrieben und nicht optimal ausgenutzt wird.With less ripple requirements, both the input and output voltages, i. If a pulsating DC voltage is present as the input voltage, a considerable deterioration in the utilization of the magnetic core material occurs since, starting from the operational fluctuations in the input voltage, the magnetic core is operated at a constant clock frequency essentially in the low voltage range and is not optimally utilized.

Es sind weiterhin Verfahren bekannt, bei denen die Eingangsspannung der Gegentaktübertragerschaltung erfaßt und im Unterspannungsbereich die Taktfrequenz in Abhängigkeit von der Spannungsabsenkung reduziert wird. Hierzu wird dem Taktgenerator ein Frequenzsollwert zugeführt, der in Abhängigkeit von der anliegenden Eingangsspannung korrigiert wird. Eine derartige Taktfrequenznachführung bedeutet jedoch einen erhöhten schaltungstechnischen Aufwand zur Realisierung der spannungsabhängigen Taktfrequenzkorrektur.Furthermore, methods are known in which the input voltage of the push-pull transformer circuit is detected and the clock frequency is reduced in the low voltage range as a function of the voltage drop. For this purpose, a frequency setpoint is supplied to the clock generator, which is corrected as a function of the applied input voltage. However, such a clock frequency tracking means an increased circuit complexity for the realization of the voltage-dependent clock frequency correction.

Weiterhin ist ein Verfahren bekannt, den Gegentaktwandler als Sättigungswandler zu betreiben. Dieses Verfahren gestattet die Ausnutzung des maximalen Induktionshubes unabhängig von der Höhe der momentan anliegenden Speisegleichspannung, Nachteile dieses Verfahrens sind die hierbei prinzipbedingten Stromspitzen, die eine Überdimensionierung der als Schaltelemente zum Einsatz kommenden Halbleiterventile sowie der Übertragerwicklung erforderlich machen, wodurch dieses Verfahren im wesentlichen lediglich auf die Übertragung kleinerer Leistungen beschränkt bleibt.Furthermore, a method is known to operate the push-pull converter as a saturation converter. This method allows the utilization of the maximum induction stroke regardless of the level of the currently applied DC supply voltage, disadvantages of this method are the principle of this current peaks, which make oversizing of the coming as switching elements used semiconductor valves and the transformer winding, making this method essentially only on the Transmission of smaller services remains limited.

Object of the invention

Die Erfindung bezweckt die Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik im Hinblick auf eine Reduzierung des schaltungstechnischen Aufwandes und optimale Ausnutzung des Übertrager-Magnetkernes.The invention aims to avoid the disadvantages of the prior art in terms of reducing the circuitry complexity and optimal utilization of the transformer magnetic core.

Explanation of the essence of the invention

Die technische Aufgabe, die durch die Erfindung gelöst wird.The technical problem which is solved by the invention.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine potentialgetrennte Energieübertragung bzw. -umwandlung unter Vermeidung einer spannungsabhängigen Taktfrequenzkorrektur zu ermöglichen.The invention is based on the object to enable a potential-separated energy transfer or conversion while avoiding a voltage-dependent clock frequency correction.

Features of the invention

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mittels einer an sich bekannten Gegentakt-Wandlerschaltung, die mit einem Übertrager, welcher wechselweise gegenphasig an eine Eingangsspannung angeschaltet wird, ausgerüstet ist, dadurch gelöst, daß das wechselweise gegenphasige Anschalten des Übertragers an die Eingangsspannung in Abhängigkeit von der zulässigen maximalen positiven und negativen Induktion vorgenommen wird. Gemäß weiterer Ausbildung der Erfindung und zur Durchführung des Verfahrens ist zur Erfassung der maximalen positiven und negativen Induktion ein magnetischer Geber vorgesehen. Der magnetische Geber ist im magnetischen Kreis des Übertragers angeordnet. Für das wechselweise gegenphasige Anschalten des Übertragers an die Eingangsspannung sind elektronische Schalter vorgesehen.According to the invention the object is achieved by means of a push-pull converter circuit known per se, which is equipped with a transformer which is alternately connected in phase opposition to an input voltage, achieved in that the alternately anti-phase turning on the transformer to the input voltage in response to the maximum allowable positive and negative induction is made. According to a further embodiment of the invention and for carrying out the method, a magnetic encoder is provided for detecting the maximum positive and negative induction. The magnetic encoder is arranged in the magnetic circuit of the transformer. For the alternately out of phase switching of the transformer to the input voltage electronic switches are provided.

embodiment

Die Erfindung wird an Hand der Fig. 1 bis 3 in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to FIGS. 1 to 3 in one embodiment.

Fig. 1: zeigt eine Prinzipschaltung einer Gegentakt-Wandlerschaltung;Fig. 1: shows a schematic circuit of a push-pull converter circuit;

Fig. 2: zeigt den Verlauf der pulsierenden Eingangs-Gleichspannung und der Ausgangsspannung; Fig.3: zeigt die zu durchfahrende Magnetisierungskurve des Übertragerkerns.Fig. 2: shows the course of the pulsating input DC voltage and the output voltage; 3 shows the magnetization curve of the transformer core to be traveled through.

Nach Fig. 1 besteht die Gegentaktwandlerschaltung aus dem Übertrager 1 und der Schalteranordnung 2. An den Klemmen a und b der Schalteranordnung 2 ist die pulsierende Eingangs-Gleichspannung U1 angeschlossen. Diese Eingangsspannung wird mittels einer Diodenbrückenschaltung aus dem einphasigen Speisenetz gebildet, d. h. zwischen den Klemmen a und b liegt eine pulsierende Gleichspannung an. Die in der Schalteranordnung 2 sich befindlichen Schalter S1 bis S4 arbeiten im Gegentakt. Sind z. B. die Schalter S1 und S2 geschlossen und die Schalter S3 und S4 geöffnet, so fließt durch die Primärwicklung W1 des Übertragers 1 ein Strom in Richtung von c nach d. Der Übertragerkern wird auf seiner Magnetisierungskurve in Richtung A magnetisiert (Fig.3). Werden daraufhin im Punkte +B_maxdie Schalter S3; S4 geschlossen und die Schalter S1; S2 geöffnet, so wird die Primärwicklung W1 des Üb'ertragers mit einer Spannung entgegengesetzter Polarität beaufschlagt. Durch die Primärwicklung W1 fließt nun ein Strom in Richtung von d nach c und der Übertragerkern wird auf seiner Magnetisierungskurve in Richtung B ummagnetisiert. Die Umschaltzeitpunkte der Schalteranordnung 2 werden vom Magnetisierungszustand des Übertragerkerns derart abgeleitet, daß der Übertrager 1 unabhängig von der Amplitude und Polarität der an der Primärwicklung W1 anliegenden Spannung in jedem Arbeitstakt bis zur maximalen zulässigen Induktion ±B_max ummagnetisiert wird. Hierzu ist im magnetischen Kreis des Übertragerkerns ein magnetischer Geber angeordnet, der bei Erreichen der zulässigen maximalen magnetischen Induktion ±B_maxein Umschalten der Schalteranordnung 2 in den Gegentakt auslöst. In Fig. 2 ist der Verlauf der Ausgangsspannung U2 an der Sekundärwicklung W2 des Übertragers 1 gezeigt. Aus dieser Darstellung ist erkennbar, daß die Einschaltdauer der Schalter S1; S2 bzw. S3; S4 in Abhängigkeit von der Eingangsspannung U1 in weiten Bereichen schwankt. Die Einschaltdauer ist im wesentlichen vom Erreichen der festgelegten zulässigen maximalen Induktion ±B_max abhängig, d.h. von der Spannungs-Zeit-Fläche, und gewährleistet, daß bei geringerer Spannung sich die Einschaltdauer verlängert und bei höherer Spannung verkürzt.According to Fig. 1, the push-pull converter circuit consists of the transformer 1 and the switch assembly 2. At the terminals A and B of the switch assembly 2, the pulsating DC input voltage U1 is connected. This input voltage is formed by means of a diode bridge circuit of the single-phase feed network, ie between the terminals a and b is a pulsating DC voltage. The switch S1 to S4 located in the switch assembly 2 operate in push-pull. Are z. B. the switches S1 and S2 are closed and the switches S3 and S4 open, so flows through the primary winding W1 of the transformer 1, a current in the direction of c to d. The transformer core is magnetized on its magnetization curve in direction A (FIG. 3). Then, in points + B _max, the switches S3; S4 closed and the switches S1; S2 open, the primary winding W1 of Üb'ertragers is applied to a voltage of opposite polarity. A current now flows in the direction from d to c through the primary winding W1 and the transformer core is magnetized in the direction B on its magnetization curve. The switching times of the switch assembly 2 are derived from the magnetization state of the transformer core such that the transformer 1 is independently of the amplitude and polarity of the voltage applied to the primary winding W1 voltage in each working cycle up to the maximum allowable induction ± B _{max is} reversed. For this purpose, a magnetic encoder is arranged in the magnetic circuit of the transformer core, which triggers a switching of the switch assembly 2 in the push-pull when the permissible maximum magnetic induction ± B _max . 2, the course of the output voltage U2 at the secondary winding W2 of the transformer 1 is shown. It can be seen from this illustration that the switch-on duration of the switches S1; S2 or S3; S4 varies in wide ranges as a function of the input voltage U1. The duty cycle is essentially dependent on reaching the specified maximum permissible induction ± B _max , ie on the voltage-time surface, and ensures that at lower voltage the duty cycle is extended and shortened at higher voltage.

Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, daß ein externer Taktgenerator mit einer schnellen Nachführung des Frequenzsollwertes, was einen erheblichen schaltungstechnischen Aufwand bedeutet, nicht erforderlich ist, daß unabhängig von der Amplitude und der Polarität der Eingangsspannung das magnetische Kern material mit der größtmöglichen zulässigen Induktion betrieben werden kann, woraus eine enge Tolerierung des Magnetkernes und eine Einsparung von Kernmaterial resultiert. Die Erfindung zeichnet sich weiterhin dadurch aus, daß auf eine Glättung der Eingangsspannung und somit auf zusätzliche Bauelemente weitgehend verzichtet werden kann. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die frequenzbedingten Schaltverluste in den Halbleiterschaitern S1 bis S4 gegenüber einer Ansteuerung mit konstanter Taktfrequenz reduziert werden.The advantages of the invention are in particular to be seen in the fact that an external clock generator with a fast tracking of the frequency setpoint, which means a considerable circuit complexity, is not required that regardless of the amplitude and the polarity of the input voltage, the magnetic core material with the largest possible Induction can be operated, resulting in a close tolerance of the magnetic core and a saving of core material results. The invention is further distinguished by the fact that a smoothing of the input voltage and thus additional components can be largely dispensed with. A further advantage of the invention is that the frequency-dependent switching losses in the semiconductor switches S1 to S4 are reduced in comparison with a control with a constant clock frequency.

Claims

1. A method for isolated power transmission or conversion by means of a push-pull converter circuit, which is equipped with a transformer which is selectively connected in phase opposition to an input voltage, characterized in that the alternately against phasing of the transformer (1) to the input voltage (U 1) is made as a function of the permissible maximum positive and negative magnetic induction.

2. Arrangement for carrying out the method according to claim 1, characterized in that a magnetic encoder is provided for detecting the maximum positive and negative magnetic induction.

3. Arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that the magnetic encoder in the magnetic circuit of the transformer (1) is arranged.

4. Arrangement according to claim 1 to 3, characterized in that for the alternately out of phase switching on the transformer (1) electronic switches (S 1 to S4) in a peeler assembly (2) are provided.