DE102011000708A1

DE102011000708A1 - Leistungsteil zum Betrieb elektrischer Verbraucher

Info

Publication number: DE102011000708A1
Application number: DE102011000708A
Authority: DE
Inventors: Karl Swiontek; Georg Gerads
Original assignee: aixcon PowerSystems GmbH
Current assignee: aixcon PowerSystems GmbH
Priority date: 2011-02-14
Filing date: 2011-02-14
Publication date: 2012-08-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Leistungsteil zum Betrieb elektrischer Verbraucher umfassend einen Wechselrichter mit Eingängen für Gleichspannung bzw. Gleichstrom und Ausgängen für Wechselspannung bzw. Wechselstrom, einen Transformator dessen primärseitige Anschlüsse mit den Ausgängen des Wechselrichters verbundenen sind und dessen sekundärseitige Anschlüsse mit den Eingängen eines Gleichrichters verbunden sind. Um ein Leistungsteil zu schaffen, das einen höheren Wirkungsgrad aufweist, wird bei einem derartigen Leistungsteil vorgeschlagen, dass — die Eingänge des Wechselrichters mit Ausgängen eines Gleichstromstellers verbunden sind, der an seinen Ausgängen eine pulsweitenmodulierte Gleichspannung und/oder einen pulsweitenmodulierten Gleichstrom erzeugt, — und der Wechselrichter an seinen Ausgängen eine amplitudenmodulierte Wechselspannung mit konstantem Tastgrad erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungsteil zum Betrieb elektrischer Verbraucher umfassend einen Wechselrichter mit Eingängen für Gleichspannung und Ausgängen für Wechselspannung, einen Transformator dessen primärseitige Anschlüsse mit den Ausgängen des Wechselrichters verbundenen sind und dessen sekundärseitige Anschlüsse mit den Eingängen eines Gleichrichters verbunden sind.
Leistungsteile zum Betrieb elektrischer Verbraucher werden beispielsweise als Gleichstrom- oder Gleichspannungsquelle eingesetzt, um eine geregelte Heizspirale in Anlagen zur Halbleiterherstellung mit Strom zu versorgen.
Bekannte Leistungsteile umfassen einen als Vollbrücke ausgestalteten Wechselrichter mit Eingängen für Gleichspannung und Ausgängen für Wechselspannung, einen Transformator dessen primärseitige Anschlüsse mit den Ausgängen des Wechselrichters verbundenen sind und dessen sekundärseitige Anschlüsse mit den Eingängen eines Gleichrichters verbunden sind. Die Vollbrücke liefert eine rechteckförmige Spannung. Zur Leistungsregelung wird die Pulsweite der rechteckförmigen Spannung in dem Wechselrichter verändert. Das hieraus resultierende ungünstige Tastverhältnis des Wechselrichters hat einen schlechten Wirkungsgrad zur Folge, der bei hohen Leistungen hohe Betriebskosten des Leistungsteils nach sich zieht.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Leistungsteil zu schaffen, das einen höheren Wirkungsgrad aufweist.
Diese Aufgabe wird bei einem Leistungsteil der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, dass

– die Eingänge des Wechselrichters mit Ausgängen eines Gleichstromstellers verbunden sind, der an seinen Ausgängen eine pulsweitenmodulierte Gleichspannung und/oder einen pulsweitenmodulierten Gleichstrom erzeugt,
– und der Wechselrichter an seinen Ausgängen eine amplitudenmodulierte Wechselspannung mit konstantem Tastgrad erzeugt.

Der Gleichstromsteller erzeugt eine pulsweitenmodulierte Gleichspannung und/oder einen pulsweitenmodulierten Gleichstrom. Über den Tastgrad des Gleichstromstellers wird die Höhe der Gleichspannung und/oder des Gleichstroms bestimmt.
Der Tastgrad gibt für eine periodische Folge von Strom-/oder Spannungs-Impulsen das Verhältnis der Impulsdauer zur Impulsperiodendauer an. Der Tastgrad ist eine dimensionslose Verhältniszahl mit einem Wert zwischen 0 ... 100% und verhält sich wie folgt:
mit

d:: Tastgrad
T_e:: Einschaltdauer/Impulsdauer
T:: Periodendauer

Durch Änderung des Tastgrades lässt sich der arithmetische Mittelwert der Spannung und/oder des Stroms ändern. Die Änderung erfolgt aufgrund des Schaltens nahezu verlustfrei. Infolge dessen lässt mit der zugrunde liegenden Pulsweitenmodulation die Höhe der Gleichspannung und/oder des Gleichstroms an den Ausgängen des Gleichstromstellers stufenlos einstellen.
Der Wechselrichter erzeugt indes an seinen Ausgängen eine amplitudenmodulierte Wechselspannung mit konstantem Tastgrad. Aufgrund des konstanten Tastgrades von vorzugsweise 50% und der nunmehr amplitudenmodulierten, mit dem Transformator übertragenen Wechselspannung, werden die Verluste in dem Gleichrichter des Leistungsteils reduziert. Eine Glättung der Ausgangsspannung an den Klemmen des Leistungsteils ist nur noch in geringem Umfang erforderlich, wodurch sich die dynamischen Eigenschaften des Leistungsteils erheblich verbessern. Der Wechselrichter arbeitet als unabhängige Baugruppe.
Der Gleichstromsteller kann je nach Einsatzzweck des Leistungsteils als Tief- oder Hochsetzsteller oder Cuk-Wandler, auch als kapazitiver Wandler bezeichnet, arbeiten.
Wenn der Gleichstromsteller ein Tiefsetzsteller ist, ist die Höhe der Ausgangsspannung stets kleiner als die Höhe der Eingangsspannung. Wenn der Gleichstromsteller ein Hochsetzsteller ist, ist die Höhe der Ausgangsspannung stets größer als die Höhe der Eingangsspannung. Die Höhe der Spannung wird durch insbesondere geregeltes Ein- und Ausschalten eines Schalters, insbesondere eines Halbleiterschalters, eingestellt.
Wenn der Gleichstromsteller ein Cuk-Wandler ist, kann die Ausgangsspannung größer oder kleiner als die Eingangsspannung sein. Ein Vorteil des Cuk-Wandlers besteht darin, dass sowohl der Eingangs- als auch der Ausgangsstrom kontinuierlich verlaufen. Somit können die Ladekondensatoren gegenüber einem Hochsetzsteller oder Tiefsetzsteller kleiner sein, ohne die Spannungswelligkeit zu verschlechtern.
Der Wechselrichter ist zur Erzeugung einer amplitudenmodulierten Wechselspannung vorzugsweise als Halbbrücke mit kapazitivem Spannungsteiler ausgeführt.
Um die Spannung und/oder den Strom an den Klemmen des Leistungsteils belastungsunabhängig weitgehend konstant zu halten, sind die Ausgänge des Gleichrichters mit einem Strom-/Spannungsregler verbunden, der die Istwerte der Gleichspannung und/oder des Gleichstroms an den Ausgängen des Gleichrichters mit vorgegebenen Sollwerten für die Gleichspannung und/oder den Gleichstrom des Leistungsteils vergleicht und über die Pulsweitenmodulation die Höhe der an den Ausgängen des Gleichstromstellers erzeugten Gleichspannung und/oder des erzeugten Gleichstroms regelt.
Die Übertragung der von dem Wechselrichter erzeugten Wechselspannung erfolgt vorzugsweise mit einem HF Transformator, mit dem für den Anwendungsfall erforderlichen Übersetzungsverhältnis.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Schaltschemas in 1 näher erläutert:
Eine Gleichspannungsquelle (1) liefert die an Ausgangsklemmen (8) des Leistungsteils benötigte elektrische Energie. Die nicht näher dargestellte Gleichspannungsquelle kann einen Netzgleichrichter mit Kondensatorzwischenkreis umfassen und aus dem Stromnetz gespeist werden.
Eingänge (2.1, 2.2) eines Gleichstromstellers (2), der als Tiefsetzsteller ausgebildet ist, sind mit der Gleichspannungsquelle (1) verbunden. Der Gleichstromsteller umfasst einen Schalter (2.3), insbesondere einen Schalttransistor, eine Freilaufdiode (2.4) und eine Induktivität (2.5).
Während der Einschaltzeit T_e des Schalters (2.3) fließt der Strom durch die Induktivität (2.5) und die Induktivität (2.5) wird geladen während die Freilaufdiode (2.4) sperrt. Während der Ausschaltphase T_a des Schalters (2.3) wird die in der Induktivität (2.5) gespeicherte Energie abgebaut. Der Strom fließt weiter, nun jedoch durch die Freilaufdiode (2.4). Innerhalb der Zeit T – (T_e + T_a) fließt kein Ausgangsstrom. Bei gleich bleibender Periodendauer T steigt die Gleichspannung an den Ausgängen (2.6, 2.7) des Gleichstromstellers (2) an, wenn die Einschaltzeit T_e des Schalters (2.3) größer wird.
Der Schalter (2.3) des Gleichstromstellers (2) wird plusweitenmoduliert, periodisch betätigt. Der Tastgrad (d) wird abhängig von den Messwerten der Ausgangsspannung (7) oder des Ausgangsstromes (6) von einem nicht dargestellten Strom-/Spannungsregler geregelt. An den Ausgängen (2.6, 2.7) des Gleichstromstellers (2) steht so eine in der Höhe geregelte Gleichspannung zur Verfügung.
Die Gleichspannung wird von einem Wechselrichter (3), dessen Eingänge (3.1, 3.2) mit den Ausgängen (2.6, 2.7) des Gleichstromstellers (2) verbunden sind, in eine amplitudenmodulierte Wechselspannung mit konstanter Frequenz bei einem Tastgrad von vorzugsweise 50% umgeformt. Der Wechselrichter ist als Halbbrücke (3.3) mit kapazitivem Spannungsteiler (3.4) ausgeführt. Die Halbbrücke umfasst zwei abwechselnd schließende Schalter, insbesondere Halbleiterschalter.
Der Wechselrichter (3) arbeitet unabhängig von den übrigen Bestandteilen des Leistungsteils. Dynamisch, beispielsweise bei schnellen Laständerungen wie einem Kurzschluss an den Ausgangsklemmen (8), kann der Wechselrichter (3) erforderlichenfalls zusätzlich den Tastgrad reduzieren. In seiner Ausführung als Halbbrücke (3.3) mit kapazitivem Spannungsteiler (3.4) kann der Wechselrichter (3) so dimensioniert sein, dass die Schalter nicht bei maximalen, sondern erheblich kleineren Strömen ausschalten. Hierdurch werden die Schaltverluste erheblich reduziert. Die Spannung am kapazitiven Spannungsteiler (3.4) ist in diesem Fall nicht konstant, sondern folgt einem nahezu dreieckförmigen Verlauf.
Ein Transformator (4), dessen primärseitige Anschlüsse (4.1, 4.2) mit den Ausgängen (3.5., 3.6) des Wechselrichters verbunden sind, überträgt die Ausgangsspannung des Wechselrichters (3) mit dem gewünschten Übersetzungsverhältnis zu einem Gleichrichter (5). Der Gleichrichter (5) ist als Brückengleichrichter mit vier Gleichrichter-Dioden (5.1) und einem RC-Glied (5.2) zur Spannungsglättung ausgeführt.

An den Ausgangsklemmen (8) liegt die gewünschte Ausgangsspannung oder der gewünschte Ausgangsstrom des Leistungsteils an. Aufgrund des hohen Tastgrades und der modulierten Amplitude, der mit dem Transformator (4) übertragenen Wechselspannung, werden die Verluste im Gleichrichter (5) minimiert. Bezugszeichenliste

Nr.	Bezeichnung
1	Gleichspannungsquelle
2	Gleichstromsteller
2.1	Eingang
2.2	Eingang
2.3	Schalter
2.4	Freilaufdiode
2.5	Induktivität
2.6	Ausgang
2.7	Ausgang
3	Wechselrichter
3.1	Eingang
3.2	Eingang
3.3	Halbbrücke
3.4	Kapazitiver Spannungsteiler
3.5	Ausgang
3.6	Ausgang
4	Transformator
4.1	Anschluss
4.2	Anschluss
5	Gleichrichter
5.1	Gleichrichter-Dioden
5.2	RC-Glied
6	Ausgangsstrom
7	Ausgangsspannung
8	Ausgangsklemmen

Claims

Leistungsteil zum Betrieb elektrischer Verbraucher umfassend einen Wechselrichter mit Eingängen für Gleichspannung bzw. Gleichstrom und Ausgängen für Wechselspannung bzw. Wechselstrom, einen Transformator dessen primärseitige Anschlüsse mit den Ausgängen des Wechselrichters verbundenen sind und dessen sekundärseitige Anschlüsse mit den Eingängen eines Gleichrichters verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass – die Eingänge (3.1, 3.2) des Wechselrichters (3) mit Ausgängen (2.6, 2.7) eines Gleichstromstellers (2) verbunden sind, der an seinen Ausgängen (2.6, 2.7) eine pulsweitenmodulierte Gleichspannung und/oder einen pulsweitenmodulierten Gleichstrom erzeugt, – und der Wechselrichter (3) an seinen Ausgängen (3.5, 3.6) eine amplitudenmodulierte Wechselspannung mit konstantem Tastgrad (d) erzeugt.
Leistungsteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstromsteller (2) ein Tiefsetzsteller ist.
Leistungsteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstromsteller (2) ein Hochsetzsteller ist.
Leistungsteil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstromsteller (2) ein Cuk-Wandler ist.
Leistungsteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (3) als Halbbrücke (3.3) mit kapazitivem Spannungsteiler (3.4) ausgeführt ist.
Leistungsteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge des Gleichrichters (5) mit einem Strom-/Spannungsregler verbunden sind, der die Istwerte der Gleichspannung und/oder des Gleichstroms an den Ausgängen des Gleichrichters (5) mit vorgegebenen Sollwerten für die Gleichspannung und/oder den Gleichstrom des Gleichspannungs-Leistungsteils vergleicht und über die Pulsweitenmodulation die Höhe der an den Ausgängen (2.6, 2.7) des Gleichstromstellers (2) erzeugten Gleichspannung und/oder des erzeugten Gleichstroms regelt.