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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, ein System und ein Verfahren zum Bereitstellen eines Hochspannungs-Gleichstrom-Netzes mit drei verschiedenen Spannungen.
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Geräte, die mit Hochspannungs-Gleichstrom betrieben werden, weisen drei Anschlüsse auf, die mit dem Netz verbunden sind. Das Hochspannungs-Gleichstrom-Netz weist einen Plus-Anschluss und einen Minus-Anschluss auf, die positive und negative Netzspannung bereitstellen. Ein Erdungsanschluss kann durch die Struktur, eine Abschirmung oder einen zusätzlichen dritten Anschluss bereitgestellt werden. Dies ist in der Regel bei Flugzeugen mit einer kohlefaserverstärkten Struktur der Fall. Ein Beispiel dafür wird in
US 2008/0174177 A1 beschrieben.
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Diese bekannten Strukturen geben eine Gleichspannung von 540 V aus. Dabei weisen jedoch die Ausgangsspannungen sehr hohe Amplituden auf, die bei einem eingespeisten 230 V Wechselstrom ungefähr 140 V betragen können und eine sogenannte Gleichtaktoszillation in der Ausgangsspannung erzeugen. Ein Anschluss von Verbrauchern zwischen dem Plus-Anschluss und der Erdung oder dem Minus-Anschluss und der Erdung ist wegen der Spannungsschwankungen an dem Plus-Anschluss und dem Minus-Anschluss relativ zur Erdung nicht möglich. Daher ist es nicht möglich, ohne zusätzliche Tiefsetzsteller zwischen den einzelnen Verbrauchern und dem Netz niedrigere Spannungen abzugreifen.
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Weiter kann selbst bei Gleichstrombetrieb, die Spannung ungefähr zwischen 500 V und 650 V schwanken Die einzelnen Verbraucher benötigen daher komplexe Eingangswandler, um diese Spannungsschwankungen auszugleichen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, das ein Hochspannungs-Gleichstrom-Netz mit einer Ausgangsspannung bereitstellt, die enger ist als im Stand der Technik, und es weiter erlauben, niedrige Spannungen ohne zusätzliche Wandler an den Verbrauchern abzugreifen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und der folgenden Beschreibung.
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Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines Hochspannungs-Gleichstrom-Netzes mit drei verschiedenen Spannungen vorgesehen, wobei die Vorrichtung einen geregelten, bipolaren, nicht isolierten Gleichspannungswandler, einen Nullleiter zum Verbinden mit einem elektrischen Verbraucher, einen Plusleiter zum Verbinden mit einem elektrischen Verbraucher und einen Minusleiter zum Verbinden mit einem elektrischen Verbraucher aufweist, wobei der Gleichspannungswandler mit zwei Eingangsanschlüssen eine Eingangsspannung aufnimmt und an drei Ausgangsanschlüssen drei verschiedene elektrische Potentiale aufweist, wobei die drei elektrischen Potentiale ein oberes Potential, ein unteres Potential und ein mittleres Potential umfassen, wobei das mittlere Potential zwischen dem oberen und unteren Potential liegt, wobei der Nullleiter, der Plusleiter und der Minusleiter mit jeweils einem der Ausgangsanschlüsse elektrisch verbunden sind, wobei der Plusleiter mit dem oberen Potential, der Nullleiter mit dem mittleren Potential und der Minusleiter mit dem unteren Potential verbunden sind.
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Durch die Regelung des bipolaren nicht isolierten Gleichspannungswandlers können Schwankungen zwischen dem oberen Potential, dem mittleren Potential und dem unteren Potential ausgeregelt werden. Damit werden Schwankungen zwischen den Leitern vermieden und die Verbraucher benötigen keine zusätzlichen komplexen Eingangswandler, um diese Schwankungen zu kompensieren. Gerade im Luftfahrtbereich kann damit eine Gewichtsreduktion der Verbraucher bewirkt werden.
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Weiter wird damit ein Anschluss von Verbrauchern zwischen dem mit dem oberen Potential verbundenen Plusleiter und dem am mittleren Potential angeschlossenen Nullleiter bzw. dem mit dem unteren Potential verbundenen Minusleiter und dem Nullleiter ermöglicht. Damit können mit der Vorrichtung einerseits hohe Spannungen wie zum Beispiel zwischen dem Plusleiter und die Minusleiter und andererseits niedrige Spannungen wie zum Beispiel zwischen dem Plusleiter und dem Nullleiter oder dem Nullleiter und dem Minusleiter bereitgestellt werden. Insgesamt können damit drei Spannungen abgegriffen werden. Eine Spannung zwischen dem Plusleiter und dem Minusleiter, die den größten Betrag aufweist, eine Spannung zwischen dem Plusleiter und dem Nullleiter sowie eine Spannung zwischen dem Leiter und dem Minusleiter, die beide niedriger sind als die Spannung zwischen dem Plusleiter und dem Minusleiter. Da für die verschiedenen Spannungen lediglich ein einzelner Wandler benötigt wird, kann damit eine weitere Gewichtsreduktion der Bestandteile des Netzes bewirkt werden.
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Damit wird ein Hochspannungs-Gleichstrom-Netz mit einer Ausgangsspannung bereitgestellt, die enger ist als im Stand der Technik. Weiter wird damit ermöglicht, niedrige Spannungen ohne zusätzliche Wandler an den Verbrauchern abzugreifen.
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Vorteilhafterweise weisen die elektrischen Potentiale an den drei Ausgangsanschlüssen einen konstanten Abstand zueinander auf.
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Selbst wenn die elektrischen Potentiale Schwankungen unterworfen sein sollten, werden die elektrischen Potentiale durch den geregelten, nicht isolierten, bipolaren Gleichstromwandler in einen gemeinsamen Takt geregelt, sodass der Abstand zwischen dem oberen Potential, dem mittleren Potential und dem unteren Potential trotz der Schwankungen konstant bleibt.
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Weiter ist es vorteilhaft, wenn das mittlere Potential zu dem oberen und dem unteren Potential den gleichen Abstand aufweist.
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Dies bewirkt, dass zwischen dem Plusleiter und die Nullleiter und zwischen dem Nullleiter und dem Minusleiter der gleiche Spannungsbetrag anliegt. Ein Anschluss eines Verbrauchers zwischen dem Nullleiter und einem der beiden anderen Leiter liefert damit genau die Hälfte der Spannung, die zwischen dem Plusleiter und dem Minusleiter anliegt. Dabei liefert ein Anschluss zwischen dem Plusleiter und dem Nullleiter eine positive Spannung und ein Anschluss zwischen dem Nullleiter und dem Minusleiter eine negative Spannung.
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Zweckmäßigerweise weist der Gleichspannungswandler ein Fehlerdetektormodul zum Erkennen einer Fehlfunktion an dem Plusleiter, an dem Nullleiter und/oder an dem Minusleiter auf, wobei das Fehlerdetektormodul bei einer erkannten Fehlfunktion ein Fehlersignal zum Umschalten von Verbrauchern in einen eingeschränkten Betriebszustand ausgibt.
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Damit weist das von der Vorrichtung bereitgestellte Hochspannungs-Gleichstrom-Netz eine implizite Redundanz auf, da trotz einer Fehlfunktion an einem Leiter, die Verbraucher, die an die anderen beiden Leiter angeschlossen sind, weiter betrieben werden können.
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Mit Vorteil weist die Vorrichtung ein Steuerelement auf, wobei der Gleichspannungswandler ein Stromsensorelement zum Erfassen eines elektrischen Stroms durch den Nullleiter aufweist und ein Stromsensorsignal über dem erfassten Strom ausgibt, wobei das Steuerelement zum Empfangen des Stromsensorsignals ausgebildet ist, wobei das Steuerelement mittels dem Gleichspannungswandler durch den Plusleiter und den Minusleiter fließende Ströme in Abhängigkeit des Stromsensorsignals steuert.
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Auf diese Weise können asymmetrische Lasten an dem Plusleiter und dem Minusleiter angeschlossen werden, sodass ein Ausgleich der Lasten an dem Plusleiter und die Minusleiter nicht erforderlich ist.
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Es ist weiter vorteilhaft, wenn der Gleichspannungswandler ein Filterelement zum Filtern von Spannungsspitzen und Transienten aufweist.
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Damit wird ein „sauberes“ Hochspannungs-Gleichstrom-Netz bereitgestellt. Die Verbraucher benötigen keine Spannungsunterdrücker und Schutzgeräte, sodass die Verbraucher einfacher aufgebaut und kostengünstiger hergestellt werden können. Weiter wird damit auch eine Gewichtsreduktion der Verbraucher bewirkt.
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Vorteilhafterweise ist der geregelte, bipolare, nicht isolierte Gleichspannungswandler ein bipolarer Q-Z-Wandler.
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Mit der Nutzung eines bipolaren Q-Z-Wandlers, kann bei Fehlfunktion von internen Schaltelementen des Wandlers ein Betrieb aufrechterhalten werden, da diese Fehlfunktion keinen sofortigen Ausfall des Wandlers zur Folge haben.
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Dazu ist es zweckmäßig, wenn die Vorrichtung ein Wandler-Steuerelement und ein Spannungssensorelement zum Erfassen von Spannungen an zwei in Reihe geschalteten Schaltelementen im Q-Z-Wandler umfasst, wobei die Schaltelemente durchgängig mit dem Ausgangsanschluss mit dem oberen oder dem unteren Potential elektrisch leitend verbunden sind, wobei das Spannungssensorelement ein Spannungssensorsignal über die erfassten Spannungen an den Schaltelementen ausgibt, und wobei das Wandler-Steuerelement zum Empfangen des Spannungssensorsignals ausgebildet ist und ein Öffnungssignal an mindestens eines der Schaltelemente im Q-Z-Wandler ausgibt, wenn das Spannungssensorsignal gleichzeitig an beiden Schaltelementen einen Kurzschluss anzeigt.
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Durch die Überwachung der Spannungen an den Schaltelementen, können Fehlfunktionen der Schaltelemente detektiert werden, wenn zum Beispiel nach einem Steuerbefehl, der ein Öffnen eines Schaltelements bewirken soll, weiter ein Kurzschluss des Schaltelements festgestellt wird. Um einen Kurzschluss innerhalb des Gleichstromwandlers zu vermeiden, kann daraufhin das Wandler-Steuerelement nach dem erfassten Kurzschluss bei offenem Schaltelement das Öffnen des anderen Schaltelements bewirken, das in Reihe mit dem defekten Schaltelement geschaltet ist.
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Weiter ist erfindungsgemäß ein System zum Bereitstellen eines Hochspannungs-Gleichstrom-Netzes vorgesehen, wobei das System einen dreiphasigen Generator, einen Gleichrichter und eine Vorrichtung gemäß der vorangegangenen Beschreibung aufweist, wobei der Gleichrichter eine dreiphasige Wechselspannung des dreiphasigen Generators in eine Gleichspannung umwandelt, und wobei die Gleichspannung als Eingangsspannung in den Gleichspannungswandler eingespeist wird.
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Durch die Regelung des bipolaren nicht isolierten Gleichspannungswandlers können Schwankungen zwischen dem oberen Potential, dem mittleren Potential und dem unteren Potential ausgeregelt werden. Damit werden Schwankungen zwischen den Leitern vermieden und die Verbraucher benötigen keine zusätzlichen komplexen Eingangswandler, um diese Schwankungen zu kompensieren. Gerade im Luftfahrtbereich kann damit eine Gewichtsreduktion der Verbraucher bewirkt werden.
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Weiter wird damit ein Anschluss von Verbrauchern zwischen dem mit dem oberen Potential verbundenen Plusleiter und dem am mittleren Potential angeschlossenen Nullleiter bzw. dem mit dem unteren Potential verbundenen Minusleiter und dem Nullleiter ermöglicht. Damit können mit der Vorrichtung einerseits hohe Spannungen wie zum Beispiel zwischen dem Plusleiter und dem Minusleiter und andererseits niedrige Spannungen wie zum Beispiel zwischen dem Plusleiter und dem Nullleiter oder dem Nullleiter und dem Minusleiter bereitgestellt werden. Insgesamt können damit drei Spannungen abgegriffen werden. Eine Spannung zwischen dem Plusleiter und die Minusleiter, die den größten Betrag aufweist, eine Spannung zwischen dem Plusleiter und dem Nullleiter sowie eine Spannung zwischen dem Leiter und dem Minusleiter, die beide niedriger sind als die Spannung zwischen dem Plusleiter und dem Minusleiter. Da für die verschiedenen Spannungen lediglich ein einzelner Wandler benötigt wird, kann damit eine weitere Gewichtsreduktion der Bestandteile des Netzes bewirkt werden.
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Damit wird ein Hochspannungs-Gleichstrom-Netz mit einer Ausgangsspannung bereitgestellt, die enger ist als im Stand der Technik. Weiter wird damit ermöglicht, niedrige Spannungen ohne zusätzliche Wandler an den Verbrauchern abzugreifen.
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Vorteilhafterweise wandelt der Gleichrichter die dreiphasige Wechselspannung in eine Gleichspannung zwischen 500 V und 650 V um.
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Wenn der Gleichspannungswandler dabei eine maximale Spannung von 540 V als Ausgangsspannung ausgibt, ist der Unterschied zwischen der Eingangsspannung, die zwischen 500 V und 650 V liegt und der Ausgangsspannung von 540 V gering. Dadurch lassen sich Gleichspannungswandler sehr effizient betreiben. Die Gleichspannungswandler können damit mit höheren Leistungen betrieben werden, sodass insgesamt weniger Verlustleistung entsteht und weniger Gleichspannungswandler bzw. leichtere Gleichspannungswandler für die Bereitstellung des Hochspannungs-Gleichstrom-Netzes genutzt werden können.
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Erfindungsgemäß ist weiter ein Flugzeug vorgesehen umfassend eine Vorrichtung gemäß der vorangegangenen Beschreibung oder ein System gemäß der vorangegangenen Beschreibung, das mindestens einen elektrischen Verbraucher aufweist, wobei der mindestens eine elektrische Verbraucher zwei Anschlüsse aufweist, wobei je einer der beiden Anschlüsse mit dem Plusleiter und dem Minusleiter, mit dem Plusleiter und dem Nullleiter oder mit dem Nullleiter und dem Minusleiter verbunden sind.
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Weiter ist erfindungsgemäß ein Verfahren zum Steuern eines Hochspannungs-Gleichstrom-Netzes mit drei verschiedenen Spannungen gemäß der vorangegangenen Beschreibung vorgesehen, mit den Schritten: a) Umwandeln einer Eingangsspannung mittels eines geregelten, bipolaren, nicht isolierten Gleichspannungswandlers in drei Ausgangsspannungen; b) Bereitstellen der drei Ausgangsspannungen mittels eines Plusleiter zum Verbinden mit einem elektrischen Verbraucher, eines Nullleiters zum Verbinden mit einem elektrischen Verbraucher und eines Minusleiters zum Verbinden mit einem elektrischen Verbraucher, wobei das elektrische Potential des Nullleiters kleiner als das elektrische Potential des Plusleiters und größer als das elektrische Potential des Minusleiters ist.
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Durch die Regelung des bipolaren nicht isolierten Gleichspannungswandlers können Schwankungen zwischen dem oberen Potential, dem mittleren Potential und dem unteren Potential ausgeregelt werden. Damit werden Schwankungen zwischen den Leitern vermieden und die Verbraucher benötigen keine zusätzlichen komplexen Eingangswandler, um diese Schwankungen zu kompensieren. Gerade im Luftfahrtbereich kann damit eine Gewichtsreduktion der Verbraucher bewirkt werden.
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Weiter wird damit ein Anschluss von Verbrauchern zwischen dem mit dem oberen Potential verbundenen Plusleiter und dem am mittleren Potential angeschlossenen Nullleiter bzw. dem mit dem unteren Potential verbundenen Minusleiter und dem Nullleiter ermöglicht. Damit können mit der Vorrichtung einerseits hohe Spannungen wie zum Beispiel zwischen dem Plusleiter und die Minusleiter und andererseits niedrige Spannungen wie zum Beispiel zwischen dem Plusleiter und dem Nullleiter oder dem Nullleiter und dem Minusleiter bereitgestellt werden. Insgesamt können damit drei Spannungen abgegriffen werden. Eine Spannung zwischen dem Plusleiter und die Minusleiter, die den größten Betrag aufweist, eine Spannung zwischen dem Plusleiter und dem Nullleiter sowie eine Spannung zwischen dem Leiter und dem Minusleiter, die beide niedriger sind als die Spannung zwischen dem Plusleiter und dem Minusleiter. Da für die verschiedenen Spannungen lediglich ein einzelner Wandler benötigt wird, kann damit eine weitere Gewichtsreduktion der Bestandteile des Netzes bewirkt werden.
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Damit wird ein Hochspannungs-Gleichstrom-Netz mit einer Ausgangsspannung bereitstellt, die enger ist als im Stand der Technik. Weiter wird damit ermöglicht, niedrige Spannungen ohne zusätzliche Wandler an den Verbrauchern abzugreifen.
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Erfindungsgemäß ist auch ein Computerprogrammelement zum Steuern einer Vorrichtung gemäß der vorangegangenen Beschreibung, eines Systems gemäß der vorangegangenen Beschreibung vorgesehen, dass wenn es auf einer Prozessoreinheit ausgeführt wird, ausgebildet ist die Verfahrensschritte gemäß der vorangegangenen Beschreibung auszuführen.
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Ebenfalls ist erfindungsgemäß ein computerlesbares Medium, auf dem ein Computerprogrammelement gemäß der vorangegangenen Beschreibung gespeichert ist, vorgesehen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer beispielhaften Ausführungsform mittels der beigefügten Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung des Systems zum Bereitstellen eines Hochspannungs-Gleichstrom-Netzes;
- 2 eine schematische Darstellung der Vorrichtung mit einem bipolaren Q-Z-Wandlers;
- 3 eine schematische Darstellung eines Flugzeugs mit dem erfindungsgemäßen System bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 4 eine schematische Darstellung der Potentialschwankungen an den drei Anschlüssen; und
- 5 eine schematische Darstellung des Verfahrens.
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Das System wird im Folgenden in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet, wie in 1 dargestellt. Weiter wird die Vorrichtung in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 3 bezeichnet, wie ebenfalls in 1 dargestellt.
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Gemäß 1 weist das System 1 einen Generator 6 und einen Gleichrichter 7 auf. Der Generator 6 stellt einen Dreiphasenwechselstrom an den Leitungen 61, 62, 63 bereit. Der Gleichrichter 7 ist mit den Leitungen 61-63 verbunden und wandelt die Wechselspannung in eine Gleichspannung um. Diese Gleichspannung kann beispielsweise von einem Großverbraucher 8 abgegriffen werden.
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Das System 1 weist weiter eine Vorrichtung 3 zum Bereitstellen eines geregelten Hochspannungs-Gleichstrom-Netzes 2 auf. Vorrichtung 3 ist mit einem geregelten, bipolaren, nicht isolierten Gleichspannungswandler 30 an die von dem Gleichrichter 7 bereitgestellte Gleichspannung angeschlossen. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Gleichspannungswandler 30 ein Q-Z-Wandler. Die Vorrichtung kann alternativ anstatt des Q-Z-Wandlers einen Tiefsetzsteller aufweisen. Im Stand der Technik wird bei einem Tiefsetzsteller und auch bei einem Q-Z-Wandler die Ausgangsspannung lediglich über zwei Ausgangsanschlüsse bereitgestellt.
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Der Gleichspannungswandler 30 ist mit einem Plusleiter 32, einem Nullleiter 31 und einem Minusleiter 33 verbunden. An den Leitern 31-33 sind in diesem beispielhaften Ausführungsbeispiel drei Verbraucher 41-43 angeschlossen. Es kann jedoch eine beliebige Anzahl von Verbrauchern 41-43 angeschlossen sein. Mit den Leitern 31-33 wird dabei ein geregeltes Hochspannungs-Gleichstrom-Netz 2 bereitgestellt.
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Weiter kann das System 1 eine Steuereinheit 12 aufweisen, die mittels einer Signalleitung den Gleichspannungswandler 30 steuern kann.
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Der Gleichspannungswandler 30 stellt an dem Plusleiter 32 ein oberes Potential 52, an dem Nullleiter 31 ein mittleres Potential 51 und an dem Minusleiter 33 ein unteres Potential 53 bereit. Das obere Potential 52 ist dabei das höchste Potential, das untere Potential 53 das niedrigste Potential. Das mittlere Potential 51 liegt zwischen dem oberen Potential 52 und dem unteren Potential 53.
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Damit kann ein Verbraucher 41, der zwischen dem Plusleiter 32 und dem Minusleiter 33 angeschlossen ist, die maximal von dem Gleichspannungswandler 30 bereitgestellte Spannung abgreifen. Ein Verbraucher 42, der zwischen dem Nullleiter 31 und die Minusleiter 33 angeschlossen ist, kann eine negative Spannung abgreifen, die betragsmäßig kleiner als die Maximalspannung ist. Ein Verbraucher 43, der zwischen dem Plusleiter 32 und dem Nullleiter 31 angeschlossen ist, kann eine positive Spannung abgreifen, die kleiner als die Maximalspannung ist.
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Die Vorrichtung 3 ist in 2 näher dargestellt. Links ist beispielhaft die innere Schaltung des Gleichspannungswandlers 30 in Form eines Q-Z-Wandlers dargestellt und rechts die Leiter 31-33. Die Leiter 31-33 sind über Ausgangsanschlüsse 35 mit dem Gleichspannungswandler 30 verbunden.
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Über die Eingangsanschlüsse 34, 34' ist der Gleichspannungswandler 30 mit einem ungeregelten Hochspannungs-Gleichstrom-Netz verbunden, das von dem Gleichrichter 7 bereitgestellt wird. Mittels einer Anordnung 30' wird innerhalb des Wandlers 30 ein Potential bereitgestellt, das zwischen den Potentialen der Eingangsanschlüsse 34, 34' liegt. Weiter weist der Q-Z-Wandler Schaltelemente 14, 15 auf, die innerhalb des Gleichspannungswandlers 30 eine Verbindung zwischen den Eingangsanschlüssen 34, 34' und den Ausgangsanschlüssen 35, 35', 35" bereitstellen und unterbrechen können. Das Schaltelement 14 kann dabei eine elektrische Verbindung zwischen dem Eingangsanschluss 34 und dem Ausgangsanschluss 35 bewirken. Das Schaltelement 15 kann eine elektrische Verbindung zwischen dem Eingangsanschluss 34' und dem Ausgangsanschluss 35" bewirken.
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Weiter weist der Gleichspannungswandler 30 Schaltelemente 16, 17 auf, die bei geöffneten Schaltelementen 14 und 15 die Ausgangsanschlüsse 35, 35', 35" verbinden können. Schaltelement 16 stellt dabei eine Verbindung zwischen dem Ausgangsanschluss 35, an dem der Plusleiter 32 angeschlossen ist, und dem Ausgangsanschluss 35' her, an dem der Nullleiter 31 angeschlossen ist. Dementsprechend stellt das Schaltelement 17 eine Verbindung zwischen dem Ausgangsanschluss 30' und dem Ausgangsanschluss 35", an dem der Minusleiter 33 angeschlossen ist, her.
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Die Schaltelemente 14-17 sind in einer bevorzugten Ausführungsform als Halbleiterschaltelemente, z. B. als MOSFETs, ausgebildet.
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Die Vorrichtung 3 weist weiter Spannungssensorelemente 38 auf, die die Spannung an den Schaltelementen 14-17 erfassen. Wenn die Schaltelemente 14-17 geschlossen sind, bilden sie naturgemäß einen Kurzschluss zwischen ihren beiden Schaltanschlüssen. Daher wird ein Sensorelement 38 bei einem geschlossenen Schaltelement 14-17 eine Nullspannung bzw. lediglich eine sehr geringe Spannungsdifferenz messen. Bei einem geschlossenen Schaltelement 14-17 erfasst das Spannungssensorelement 38 eine Spannungsdifferenz am betreffenden Schaltelement 14-17. Das Spannungssensorelement 38 gibt die erfasste Spannung als ein Spannungssignal aus.
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Das Spannungssignal kann von einem Wandler-Steuerelement 39 empfangen werden. Das Wandler-Steuerelement 39 vergleicht die Information aus dem Spannungssignal mit dem Öffnungszustand des betreffenden Schaltelements 14-17. Wenn das Wandler-Steuerelement 39 dem Spannungssignal eine Kurzschlussspannung für ein geöffnetes Schaltelement 14-17 entnimmt, weist dies auf einen Defekt an dem betreffenden Schaltelement 14-17 hin. Das Wandler-Steuerelement 39 prüft darauf, ob die jeweils benachbarten Schaltelemente 14-17 geschlossen sind. Sollte dies der Fall sein, wird das Wandler-Steuerelement 39 ein Öffnungssignal an die geschlossenen benachbarten Schaltelemente 14-17 übermitteln, um einen Kurzschluss zwischen allen Ausgangsanschlüssen 35, 35', 35", einen Kurzschluss zwischen den Eingangsanschlüssen 34, 34' oder einen Kurzschluss zwischen den Eingangsanschlüssen 34, 34' und dem Ausgangsanschluss 35' zu vermeiden.
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Weiter weist die Vorrichtung 3 ein Steuerelement 36 auf, das mit Stromsensorelementen 44 verbunden ist. Die Stromsensorelemente 44 erfassen den elektrischen Strom, der durch die Ausgangsanschlüsse 35, 35', 35" fließt. Die Stromsensorelemente 44 geben ein Stromsensorsignal für den jeweiligen erfassten Strom aus. Das Steuerelement 36 empfängt diese Stromsensorsignale und steuert mit dem Gleichspannungswandler 30 die Ströme durch den Plusleiter 32 und dem Minusleiter 33 in Abhängigkeit dieser Stromsensorsignale. Dazu kann sich das Steuerelement 36 der Schaltelemente 14 bis 17 bedienen.
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Weiter ist ein Fehlerdetektormodul 13 an dem Gleichspannungswandler vorgesehen, das Fehlfunktionen an dem Plusleiter 32, an dem Minusleiter 33 und an dem Nullleiter 31 erkennt. In einer alternativen Ausführungsform kann das Fehlerdetektormodul 13 Fehlfunktionen an lediglich einem der Leiter 31-33 erkennen. Wenn das Fehlerdetektormodul 13 eine Fehlfunktion, wie z.B. einen Kurzschluss, an einem der Leiter 31-33 ermittelt, gibt das Fehlerdetektormodul 13 ein Fehlersignal aus, das einem Verbraucher 41-43, der an den betreffenden Leiter 31-33 angeschlossen ist, in einen eingeschränkten Betriebszustand schaltet. Das Fehlersignal kann entweder direkt zu den Verbrauchern 41-43 oder über eine Prozessoreinheit 12 an die Verbraucher 41-43 übermittelt werden.
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Weiter kann der Gleichspannungswandler ein Filterelement 18 aufweisen, das Spannungsspitzen und Transienten, die an den Eingangsanschlüssen 34, 34' eingehen, filtert, so dass diese nicht zu den Ausgangsanschlüssen 35, 35', 35" gelangen. Das Filterelement 18 wirkt gleichzeitig auch in umgekehrter Richtung, so dass Spannungsspitzen und Transienten, die an den Ausgangsanschlüssen 35, 35', 35" eingehen, nicht zu den Eingangsanschlüssen 34, 34' gelangen.
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Die Vorrichtung 3 und das System 1 können gemäß 3 Bestandteil eines Flugzeugs 9 sein. Damit kann in einem Flugzeug 9 ein geregeltes Hochspannungs-Gleichstrom-Netz 2 bereitgestellt werden, das deutlich leichtere Komponenten als herkömmliche Hochspannungs-Gleichstrom-Netze aufweist. Verbraucher 41-43 können dabei an unterschiedliche geregelte Gleichspannungen angeschlossen werden. Aus diesen Gleichspannungen können mittels weiterer Wandler Niedrigspannungen oder Wechselspannungen erzeugt werden. Je nach benötigter Größe der entsprechenden Spannungen kann entweder ein Anschluss zwischen dem Plusleiter 33 und dem Minusleiter 33 oder zwischen dem Nullleiter 31 und einem der beiden anderen Leiter 32-33 erfolgen.
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In 4 ist schematisch ein Diagramm dargestellt, dass die elektrischen Potentiale Φ an den Ausgangsanschlüssen 35, 35', 35" über der Zeit t darstellt. Dabei liegt das Potential 52 an dem Ausgangsanschluss 35, das Potential 51 an dem Ausgangsanschluss 35', das Potential 53 an dem Ausgangsanschluss 35" an. Das obere Potential 52 ist dabei das höchste Potential, das untere Potential 53 das niedrigste Potential. Das mittlere Potential 51 liegt zwischen dem oberen Potential 52 und dem unteren Potential 53. Das mittlere Potential 51 weist dabei von dem oberen Potential 52 und dem unteren Potential 53 den gleichen Abstand 54, 55 auf. D.h., dass die Spannung zwischen dem Nullleiter 31 und dem Plusleiter 32 betragsmäßig gleich groß wie die Spannung zwischen dem Nullleiter 31 und dem Minusleiter 33 ist. Weiter ist die Spannung zwischen den Potentialen 52 und 53 doppelt so groß wie die Spannung zwischen dem Potential 51 und einem der beiden Potentiale 52 oder 53.
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Die elektrischen Potentiale 51-53 können Schwankungen 50 aufweisen, die z.B. Gleichtaktoszillationen sein können. Die Potentiale 51-53 weisen diese Schwankungen jedoch im gleichen Takt auf. D.h., dass der Abstand zwischen den Potential 51-53 jederzeit konstant bleibt. So ist der Abstand 54 zwischen den Potentialen 52 und 51 jederzeit trotz der Schwankungen gleich. Weiter ist auch der Abstand 55 zwischen den Potentialen 51 und 53 trotz der Schwankungen konstant. Damit ist auch der kombinierte Abstand zwischen den Potentialen 52 und 53, der sich aus der Summe der Abstände 54 und 55 ergibt konstant.
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5 zeigt ein Verfahren 100 zum Steuern eines Hochspannungs-Gleichstrom-Netzes 2 mit drei verschiedenen Spannungen. Dabei ist das Hochspannungs-Gleichstrom-Netz 2 gemäß der oben angegebenen Beschreibung ausgebildet.
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Mittels eines geregelten, bipolaren, nicht isolierten Gleichspannungswandlers wird eine Eingangsspannung gemäß Schritt a) in drei Ausgangsspannungen umgewandelt 101. Die Eingangsspannung kann dabei durch einen Generator 6 und einen Gleichrichter 7 bereitgestellt werden. Der Generator 6 stellt einen Dreiphasenwechselstrom an den Leitungen 61, 62, 63 bereit. Der Gleichrichter 7 ist mit den Leitungen 61-63 verbunden und wandelt die Wechselspannung in eine Gleichspannung um. Diese Gleichspannung kann beispielsweise von einem Großverbraucher 8 abgegriffen werden.
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Weiter kann eine Vorrichtung 3 mit einem geregelten, bipolaren, nicht isolierten Gleichspannungswandler 30 an die von dem Gleichrichter 7 bereitgestellte Gleichspannung angeschlossen sein. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Gleichspannungswandler 30 ein Q-Z-Wandler. Die Vorrichtung kann alternativ anstatt des Q-Z-Wandlers einen Tiefsetzsteller aufweisen. Im Stand der Technik wird bei einem Tiefsetzsteller und auch bei einem Q-Z-Wandler die Ausgangsspannung lediglich über zwei Ausgangsanschlüsse bereitgestellt.
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Mit Schritt b) werden die drei Ausgangsspannungen mittels eines Plusleiters zum Verbinden mit einem elektrischen Verbraucher, eines Nullleiters zum Verbinden mit einem elektrischen Verbraucher und eines Minusleiters zum Verbinden mit einem elektrischen Verbraucher bereitgestellt 102.
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Der Gleichspannungswandler 30 ist mit einem Plusleiter 32, einem Nullleiter 31 und einem Minusleiter 33 verbunden. An den Leitern 31-33 sind in diesem beispielhaften Ausführungsbeispiel drei Verbraucher 41-43 angeschlossen. Es kann jedoch eine beliebige Anzahl von Verbrauchern 41-43 angeschlossen sein. Mit den Leitern 31-33 wird dabei ein geregeltes Hochspannungs-Gleichstrom-Netz 2 bereitgestellt.
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Weiter kann das System 1 eine Steuereinheit 12 aufweisen, die mittels einer Signalleitung den Gleichspannungswandler 30 steuern kann.
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Der Gleichspannungswandler 30 stellt an dem Plusleiter 32 ein oberes Potential 52, an dem Nullleiter 31 ein mittleres Potential 51 und an dem Minusleiter 33 ein unteres Potential 53 bereit. Das obere Potential 52 ist dabei das höchste Potential, das untere Potential 53 das niedrigste Potential. Das mittlere Potential 51 liegt zwischen dem oberen Potential 52 und dem unteren Potential 53.
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Damit kann ein Verbraucher 41, der zwischen dem Plusleiter 32 und dem Minusleiter 33 angeschlossen ist, die maximal von dem Gleichspannungswandler 30 bereitgestellte Spannung abgreifen. Ein Verbraucher 42, der zwischen dem Nullleiter 31 und die Minusleiter 33 angeschlossen ist, kann eine negative Spannung abgreifen, die betragsmäßig kleiner als die Maximalspannung ist. Ein Verbraucher 43, der zwischen dem Plusleiter 32 und dem Nullleiter 31 angeschlossen ist, kann eine positive Spannung abgreifen, die kleiner als die Maximalspannung ist.
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Die Vorrichtung 3 ist in 2 näher dargestellt. Links ist beispielhaft die innere Schaltung des Gleichspannungswandlers 30 in Form eines Q-Z-Wandlers dargestellt und rechts die Leiter 31-33. Die Leiter 31-33 sind über Ausgangsanschlüsse 35 mit dem Gleichspannungswandler 30 verbunden.
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Über die Eingangsanschlüsse 34, 34' ist der Gleichspannungswandler 30 mit einem ungeregelten Hochspannungs-Gleichstrom-Netz verbunden, das von dem Gleichrichter 7 bereitgestellt wird. Mittels einer Anordnung 30' wird innerhalb des Wandlers 30 ein Potential bereitgestellt, das zwischen dem Potentialen der Eingangsanschlüsse 34, 34' liegt. Weiter weist der Q-Z-Wandler Schaltelemente 14, 15 auf, die innerhalb des Gleichspannungswandlers 30 eine Verbindung zwischen den Eingangsanschlüssen 34, 34' und den Ausgangsanschlüssen 35, 35', 35" bereitstellen und unterbrechen können. Das Schaltelement 14 kann dabei eine elektrische Verbindung zwischen dem Eingangsanschluss 34 und dem Ausgangsanschluss 35 bewirken. Das Schaltelement 15 kann eine elektrische Verbindung zwischen dem Eingangsanschluss 34' und dem Ausgangsanschluss 35" bewirken.
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Weiter weist der Gleichspannungswandler 30 Schaltelemente 16, 17 auf, die bei geöffneten Schaltelementen 14 und 15 die Ausgangsanschlüsse 35, 35', 35" verbinden können. Schaltelement 16 stellt dabei eine Verbindung zwischen dem Ausgangsanschluss 35, an dem der Plusleiter 32 angeschlossen ist, und dem Ausgangsanschluss 35' her, an dem der Nullleiter 31 angeschlossen ist. Dementsprechend stellt das Schaltelement 17 eine Verbindung zwischen dem Ausgangsanschluss 30' und dem Ausgangsanschluss 35", an dem der Minusleiter 33 angeschlossen ist, her.
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Die Schaltelemente 14-17 sind in einer bevorzugten Ausführungsform als Halbleiterschaltelemente, z. B. als MOSFETs, ausgebildet.
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Die Vorrichtung 3 weist weiter Spannungssensorelemente 38 auf, die die Spannung an den Schaltelementen 14-17 erfassen. Wenn die Schaltelemente 14-17 geschlossen sind, bilden sie naturgemäß einen Kurzschluss zwischen ihren beiden Schaltanschlüssen. Daher wird ein Sensorelement 38 bei einem geschlossenen Schaltelement 14-17 eine Nullspannung bzw. lediglich eine sehr geringe Spannungsdifferenz messen. Bei einem geschlossenen Schaltelement 14-17 erfasst das Spannungssensorelement 38 eine Spannungsdifferenz am betreffenden Schaltelement 14-17. Das Spannungssensorelement 38 gibt die erfasste Spannung als ein Spannungssignal aus.
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Das Spannungssignal kann von einem Wandler-Steuerelement 39 empfangen werden. Das Wandler-Steuerelement 39 vergleicht die Information aus dem Spannungssignal mit dem Öffnungszustand des betreffenden Schaltelements 14-17. Wenn das Wandler-Steuerelement 39 dem Spannungssignal eine Kurzschlussspannung für ein geöffnetes Schaltelement 14-17 entnimmt, weist dies auf einen Defekt an dem betreffenden Schaltelement 14-17 hin. Das Wandler-Steuerelement 39 prüft darauf, ob die jeweils benachbarten Schaltelemente 14-17 geschlossen sind. Sollte dies der Fall sein, wird das Wandler-Steuerelement 39 ein Öffnungssignal an die geschlossenen benachbarten Schaltelemente 14-17 übermitteln, um einen Kurzschluss zwischen allen Ausgangsanschlüssen 35, 35', 35", einen Kurzschluss zwischen den Eingangsanschlüssen 34, 34' oder einen Kurzschluss zwischen den Eingangsanschlüssen 34, 34' und dem Ausgangsanschluss 35' zu vermeiden.
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Weiter weist die Vorrichtung 3 ein Steuerelement 36 auf, das mit Stromsensorelementen 44 verbunden ist. Die Stromsensorelemente 44 erfassen den elektrischen Strom, der durch die Ausgangsanschlüsse 35, 35', 35" fließt. Die Stromsensorelemente 44 geben ein Stromsensorsignal für den jeweiligen erfassten Strom aus. Das Steuerelement 36 empfängt diese Stromsensorsignale und steuert mit dem Gleichspannungswandler 30 die Ströme durch den Plusleiter 32 und dem Minusleiter 33 in Abhängigkeit dieser Stromsensorsignale. Dazu kann sich das Steuerelement 36 der Schaltelemente 14 bis 17 bedienen.
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Weiter ist ein Fehlerdetektormodul 13 an dem Gleichspannungswandler vorgesehen, das Fehlfunktionen an den Plusleiter 32, an dem Minusleiter 33 und an dem Nullleiter 31 erkennt. In einer alternativen Ausführungsform kann das Fehlerdetektormodul 13 Fehlfunktionen an lediglich einem der Leiter 31-33 erkennen. Wenn das Fehlerdetektormodul 13 eine Fehlfunktion, wie z.B. einen Kurzschluss, an einem der Leiter 31-33 ermittelt, gibt das Fehlerdetektormodul 13 ein Fehlersignal aus, das einem Verbraucher 41-43, der an den betreffenden Leiter 31-33 angeschlossen ist, in einen eingeschränkten Betriebszustand schaltet. Das Fehlersignal kann entweder direkt zu den Verbrauchern 41-43 oder über eine Prozessoreinheit 12 an die Verbraucher 41-43 übermittelt werden.
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Weiter kann der Gleichspannungswandler ein Filterelement 18 aufweisen, das Spannungsspitzen und Transienten, die an den Eingangsanschlüssen 34, 34' eingehen, filtert, so dass diese nicht zu den Ausgangsanschlüssen 35, 35', 35" gelangen.
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Die Vorrichtung 3 und das System 1 können gemäß 3 Bestandteil eines Flugzeugs 9 sein. Damit kann in einem Flugzeug 9 ein geregeltes Hochspannungs-Gleichstrom-Netz 2 bereitgestellt werden, das deutlich leichtere Komponenten als herkömmliche Hochspannungs-Gleichstrom-Netze aufweist. Verbraucher 41-43 können dabei an unterschiedliche geregelte Gleichspannungen angeschlossen werden. Aus diesen Gleichspannungen können mittels weiterer Wandler Niedrigspannungen oder Wechselspannungen erzeugt werden. Je nach benötigter Größe der entsprechenden Spannungen kann entweder ein Anschluss zwischen dem Plusleiter 33 und dem Minusleiter 33 oder zwischen dem Nullleiter 31 und einem der beiden anderen Leiter 32-33 erfolgen.
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In 4 ist schematisch ein Diagramm dargestellt, dass die elektrischen Potentiale Φ an den Ausgangsanschlüssen 35, 35', 35" über der Zeit t darstellt. Dabei liegt das Potential 52 an dem Ausgangsanschluss 35, das Potential 51 an dem Ausgangsanschluss 35', das Potential 53 an dem Ausgangsanschluss 35" an. Das obere Potential 52 ist dabei das höchste Potential, das untere Potential 53 das niedrigste Potential. Das mittlere Potential 51 liegt zwischen dem oberen Potential 52 und dem unteren Potential 53. Das mittlere Potential 51 weist dabei von dem oberen Potential 52 und dem unteren Potential 53 den gleichen Abstand 54, 55 auf. D.h., dass die Spannung zwischen dem Nullleiter 31 und dem Plusleiter 32 betragsmäßig gleich groß wie die Spannung zwischen dem Nullleiter 31 und dem Minusleiter 33 ist. Weiter ist die Spannung zwischen den Potentialen 52 und 53 doppelt so groß wie die Spannung zwischen dem Potential 51 und einem der beiden Potentiale 52 oder 53.
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Die elektrischen Potentiale 51-53 können Schwankungen 50 aufweisen, die z.B. Gleichtaktoszillationen sein können. Die Potentiale 51-53 weisen diese Schwankungen jedoch im gleichen Takt auf. D.h., dass der Abstand zwischen den Potential 51-53 jederzeit konstant bleibt. So ist der Abstand 54 zwischen den Potentialen 52 und 51 jederzeit trotz der Schwankungen gleich. Weiter ist auch der Abstand 55 zwischen den Potentialen 51 und 53 trotz der Schwankungen konstant. Damit ist auch der kombinierte Abstand zwischen den Potentialen 52 und 53, der sich aus der Summe der Abstände 54 und 55 ergibt konstant.
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Das Verfahren 100 kann durch eine Steuereinheit 12 ausgeführt werden, die mittels einer Signalleitung den Gleichspannungswandler 30 steuern kann. Dabei kann die Steuereinheit eine Prozessoreinheit aufweisen, die mittels eines auf einem Computerlesbaren Medium 11 ein Computerprogramelement 10 ausführt, wobei das Computerprogrammelement 10 das Verfahren 100 ausführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2008/0174177 A1 [0002]
