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Eine Gleichspannungs-Wandlervorrichtung ist
eingangsseitig mit einer Gleichspannungsquelle verbunden. Ausgangsseitig
gibt die Gleichspannungs-Wandlervorrichtung an wenigstens einen
elektrischen Verbraucher über
eine Kabelverbindung eine umgewandelte Gleichspannung ab.
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Solche Gleichspannungs-Wandlervorrichtung
haben ein weites Einsatzgebiet und werden insbesondere dort eingesetzt,
wo die Gleichspannung umgeformt werden muss und die umgewandelte Gleichspannung
relativ stabil sein soll. Solche Einsatzgebiete sind beispielsweise
Photovoltaikanlagen, der KFZ-Bereich, Gleichstrom-Traktionsantriebe
für U-
und Straßenbahn,
Haushaltsantriebe für Fön, Bohrmaschine
oder dergleichen, Halbleitertechnik und Telekommunikation.
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Bei hohen Gleichspannungen auf der
Eingangsseite sind entsprechende Gleichspannungs-Wandlervorrichtungen
nicht erhältlich,
da deren Durchschlagfestigkeit durch die entsprechenden Durchschlagfestigkeiten
ihrer Bauteile bestimmt ist. Bauteile von Durchschlagfestigkeiten
von mehreren 1000 Volt wie beispielsweise 3000 oder 6000 Volt sind
allerdings nicht verfügbar
oder technisch nur schwer zu realisieren. Ist eine solche Wandlervorrichtungen
doch für
solche hohen Gleichspannungen geeignet, bricht das gesamte System
bei Ausfall der Wandlervorrichtung zusammen. Außerdem ergibt sich selbst bei
einem recht hohen Wirkungsgrad eine Verlustleistung der Gleichspannungs-Wandlervorrichtung,
die eine erhebliche Wärmemenge
relativ lokal erzeugt. Diese Wärmemenge
kann entsprechende Bauteile der Wandlervorrichtung zerstören. Um eine
solche Zerstörung
zu vermeiden, sind aufwendige und kostenintensive Kühlsysteme
erforderlich.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe
zugrunde, eine Gleichspannungs-Wandlervorrichtung der eingangs genannten
Art dahingehend zu verbessern, dass bei konstruktiv relativ einfachem
Aufbau hohe Gleichspannungen auch bei hoher Leistung sicher umgewandelt
werden können
und gleichzeitig die Zuverlässigkeit
der Wandlervorrichtung erhöht und
kostenintensive Kühlsysteme
nicht mehr benötigt
werden.
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Diese Aufgabe wird in Zusammenhang
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 dadurch
gelöst,
dass die Gleichspannungs-Wandlervorrichtung eine Mehrzahl von Gleichspannungs-Wandlerbausteinen
aufweist, von denen jeder eingangsseitig seriell mit der Gleichspannungsquelle
und ausgangsseitig parallel mit der Kabelverbindung zur Bereitstellung
der umgewandelten Gleichspannung für den elektrischen Verbraucher
verschaltet ist.
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Durch die verwendete Mehrzahl von
Gleichspannungs-Wandlerbausteinen ist jeder Wandlerbaustein nur
für einen
Teil der hohen Eingangsspannung zuständig, die er in die entsprechende
Ausgangsspannung umwandelt. Sind alle Wandlerbausteine gleichartig
aufgebaut, so wird von jedem Wandlerbaustein der gleiche Teil der
Eingangsspannung umgewandelt. Beträgt beispielsweise die Eingangsspannung
6000 Volt und sind 30 Wandlerbausteine vorhanden, so muss jeder
Wandlerbaustein nur 200 Volt in eine entsprechende Ausgangsspannung
umwandeln. Dies ergibt sich durch die serielle Schaltung auf der
Eingangsseite der Wandlerbausteine.
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Ausgangsseitig gibt jeder Wandlerbaustein die
gleiche Spannung ab und speist diese aufgrund der Parallelschaltung
in die Kabelverbindung ein.
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Es besteht selbstverständlich auch
die Möglichkeit,
dass die Wandlerbausteine unterschiedlich aufgebaut oder ausgelastet
sind, so dass unterschiedlich Spannungsanteile der Eingangsspannung durch
die verschiedenen Wandlerbausteine in gleiche Ausgangsspannungen
umgewandelt werden.
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Durch die Aufteilung der Spannungsumwandlung
auf eine Reihe von Wandlerbausteinen ist weiterhin gewährleistet,
dass bei Ausfall von einem, zwei oder mehr Wandlerbausteinen nicht
die gesamte Versorgung des elektrischen Verbrauchers auf der Ausgangsseite
zusammenbricht. Stattdessen können
die noch funktionsfähigen
Wandlerbausteine durch entsprechende Einregelung die ausgefallenen Wandlerbausteine
vollständig
oder zumindest zum größten Teil
ersetzen (Redundanz).
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Da die Verlustleistung der Gleichspannungs-Wandlervorrichtung
ebenfalls auf die Mehrzahl der Wandlerbausteine aufgeteilt wird,
ist die entsprechende Wärmeentwicklung
ebenfalls über
einen größeren Bereich
verteilt und kann durch einfache Kühlsysteme abgefüllt werden.
Ist der Abstand der entsprechenden Wandlerbausteine in diesem Zusammenhang
ausreichend groß,
so dass sie sich nicht gegenseitig erwärmen, kann eine Kühlung durch
die sie umgebende Luft oder ein anderes sie umgebendes Medium ausreichend
sein, so dass auf separate Kühleinrichtungen
verzichtet werden kann.
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Solche Wandlerbausteine für beispielsweise eine
Eingangsspannung von einigen hundert Volt sind heutzutage handelsüblich, während Wandlerbausteine
für einige
oder mehrere tausend Volt auf der Eingangsseite gar nicht erhältlich oder
zumindest sehr teuer und aufwendig sind.
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Durch die Parallelschaltung der Wandlerbausteine
auf der Ausgangsseite ergibt sich je nach Einzelwandlerbausteinleistung
die Gesamtleistung des Systems. Je nach dem, welche Gesamtleistung
erwünscht
ist, wird die Anzahl und Ausbildung der Wandlerbausteine entsprechend
gewählt.
Dadurch erhält
man eine einfache Anpassung des Gesamtsystems an vorgegebene Erfordernisse.
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Um Anforderungen bezüglich der
Regelung von Netzschwankungen und Lastenregelungen, den Trends zur
Miniaturisierung und dem Wunsch zur Reduzierung der Verlustleistung
zu genügen,
können die
Wandlerbausteine als getaktete Schaltnetzteile ausgebildet sein.
Diese haben gegenüber
herkömmlichen
Netzteilen einen Wirkungsgrad von z. T. größer als 90%, eine Volumen-
und Gewichtsersparnis von größer als
60%, eine Spannungskonstanz von kleiner als 1–2%, benötigen nur geringe Siebmittel
und haben ein günstigeres
Preis-Leistungsverhältnis.
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Es gibt elektrische Verbraucher,
die sowohl eine hohe Spannung als auch eine hohe Leistung benötigen. Werden
Leistung und Spannung plötzlich beim
Einschalten des elektrischen Verbrauchers angefordert und liegen
noch nicht im System bereit, so kann es zu einem Systemzusammenbruch
aufgrund entsprechender Rückkopplung
zur beispielsweise Gleichspannungsquelle kommen. Um einen solchen Zusammenbruch
bzw. eine negative Rückkopplung zu
vermeiden, weist das getaktete Schaltnetzteil eingangsseitig eine
parallel zu einem Übertrager
des Schaltnetzteils geschaltete Last auf.
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Bei der erfindungsgemäßen Gleichspannungs-Wandlervorrichtung
wird dabei bereits vor Einschalten oder Versorgen des elektrischen
Verbrauchers Spannung und Leistung im System auf zumindest die vom
elektrischen Verbraucher angeforderten Werte hochgefahren. Bis der
elektrische Verbraucher tatsächlich
arbeitet, fällt
die Spannung an der Last ab und die Leistung wird als Verlustleistung
in Wärme umgesetzt.
Erst wenn der Verbraucher jetzt Energie anfordert, wird diese über die
verschiedenen Wandlerbausteine zugeführt und weniger Spannung fällt an der
Last ab und wird entsprechend in Wärme umgesetzt.
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Für
die Gleichspannungsquelle ist immer eine stabile Auslastung und
eine konstante Last sichtbar. Das heißt, die entsprechende Energieverteilung
findet vor Ort statt und wird nicht mehr bis zur Gleichspannungsquelle
und zu den ihr zugeordneten Einrichtungen zurückgekoppelt.
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Um gegebenenfalls Spannung und Leistung erst
kurz vor Anforderung durch den elektrischen Verbraucher schnell
auf gewünschte
Werte aufzubauen, kann die Last als Zener-Diode ausgebildet sein.
Dadurch ist es möglich,
innerhalb von wenigen Millisekunden volle Spannung und volle Leistung
aufzubauen und durch die Zener-Diode zu verbrauchen. Erst nach vollständigem Aufbau
von Spannung und Leistung wird dann der elektrische Verbraucher
ein- oder zugeschaltet. Dann wird die Spannung und Leistung dem
elektrischen Verbraucher zugeführt,
wobei nur noch ein Rest der Spannung über der Zener-Diode abfällt und
nur noch ein geringer Teil der Leistung (einige Prozent) dort verbraucht
wird. Wird der elektrische Verbraucher dann ab- oder ausgeschaltet,
fällt die
gesamte Spannung wieder an der Zener-Diode ab und diese verbraucht
die volle Leistung im System. Danach können die Spannung und Leistung
auf einen niederen Wert zurückgefahren
werden. Die zurückgefahrenen
Werte sind ausreichend für
eine Versorgung entsprechender Bauteile des Systems, die auch bei
fehlender Zuschaltung oder Einschaltung des elektrischen Verbrauchers
in Tätigkeit
sind, wie Überwachungs- und Steuereinrichtungen.
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Falls keine Versorgung von Bauteilen
durch die erfindungsgemäße Gleichspannungs-Wandlervorrichtung
notwendig ist, kann auch die gesamte Spannung und Leistung abgeschaltet
oder auf Null zurückgefahren
werden.
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Sobald eine entsprechende Anforderung
von einem elektrischen Verbraucher wieder vorliegt, erfolgt wieder
das Aufschalten innerhalb weniger Millisekunden.
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Während
des Anliegens der vollen Spannung und der vollen Leistung ist dabei
insbesondere die Gleichspannungsquelle immer gleichmäßig belastet,
da vor Ort bei der Gleichspannungs-Wandlervorrichtung die entsprechende
Aufteilung von Spannung und Energie auf Zener-Diode und elektrische Verbraucher
stattfindet.
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Die Zener-Diode kann in Form von
Feldeffekttransistoren und Lastwiderständen aufgebaut sein. Auf diese
Weise ist auch eine Regelung des Spannungsabfalls über der
Zener-Diode möglich,
um diese an entsprechende Anforderungen anzupassen.
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Weiterhin ist durch die Zener-Diode
in jedem Wandlerbaustein eine gute Wärmeabfuhr von dort in Wärme umgesetzter
Verlustleistung gewährleistet. Die
entsprechende Wärme
entsteht nicht mehr lokal auf engem Raum begrenzt, sondern an einer
Vielzahl von Stellen, so dass die Wärme direkt an die Luft oder
an Wasser oder dergleichen abgegeben werden kann. Separate Kühlsysteme
sind nicht erforderlich.
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Weiterhin kann die Zener-Diode eine
sehr steile Begrenzungscharakteristik aufweisen, um gegebenenfalls
die Ausgangsspannung weiter zu stabilisieren.
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Sind die Zener-Dioden und die entsprechenden
Wandlerbausteine jeweils gleichartig aufgebaut, ist außerdem gewährleistet,
dass die gleiche Stromverteilung auf jeden der Bausteine erfolgt.
Die Spannung ist dabei bis in einen Bereich von 2, 3 oder maximal
5 % stabilisiert.
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Zur galvanischen Trennung zwischen
Ausgangsseite und Eingangsseite, kann es weiterhin als vorteilhaft
betrachtet werden, wenn das Schaltnetzteil primär getaktet ist.
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Um ein entsprechendes Schaltnetzteil
zu verwenden, das auch für
hohe Leistungen gut geeignet ist, kann dieses als Gegentaktwandler
ausgebildet sein. Der Gegentaktwandler kann als Halbbrücken- auch
Vollbrücken-Gegentaktwandler
ausgebildet sein.
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Um einen Übertrager des primärgetakteten Schaltnetzteils
in einfacher Weise und elektronisch zu schalten, kann das Schaltnetzteil
als Schalteinrichtung einen Schalttransistor, insbesondere Leistungs-MOSFET
oder-BIMOSFET, aufweisen. Dabei ist zu beachten, dass beispielsweise
für einen
Vollbrücken-Gegentaktwandler
vier solcher Schalttransistoren jeweils paarweise verschaltet sind.
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Um nur eine geringe Stromaufnahme
des Übertragers
im Gegentaktwandler zu erreichen, können die Schalttransistoren
im Gegentakt mit Taktverhältnis
von 1 : 1 getaktet sein.
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Um möglichst wenig Oberwellen auf
der Ausgangsseite zu erhalten, können
die Schaltnetzteile der Gleichspannungs-Wandlervorrichtung synchron getaktet
sein.
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Um insbesondere bei der Kommunikationsverbindung
in Richtung Gleichspannungsquelle die System-Grenzfrequenz möglichst
weit nach oben zu verschieben, so dass die zur Kommunikationsverbindung übertragene
Signale wenig gestört
werden, können
die Schaltnetzteile der Gleichspannungs-Wandlervorrichtung phasenverschoben
zueinander getaktet sein.
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Eine einfache und nur einen geringen
Teil Oberwellen erzeugende Phasenverschiebung kann darin gesehen
werden, wenn die Phasenverschiebung benachbarter Schaltnetzteile
jeweils 1/n beträgt,
wenn n die Anzahl der Schaltnetzteile der Gleichspannungs-Wandlervorrichtung
ist. Auf diese Weise wäre
das n + 1. Schaltnetzteil wieder in Phase mit dem ersten Schaltnetzteil
(zyklische Phasenverschiebung). Außerdem beträgt in einem solchen Fall die
Höhe der
abgegebenen Gesamtstörspannung nur
1/n der Störspannung
eines Einzelbausteins.
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Um in diesem Zusammenhang eine einfache Kabelverbindung
zur Gleichspannungsquelle zu realisieren, die nur einen geringen
Querschnitt zur Übertragung
der Gleichspannung benötigt
und gleichzeitig eine sichere und schnellere Übertragung durch die Kommunikationsverbindungen
ermöglicht,
kann die Gleichspannungs-Wandlervorrichtung über eine
Koaxialkabelverbindung mit der Gleichspannungsquelle verbunden sein.
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Um insbesondere einen für die Kommunikationsverbindung
benötigten
Frequenzbereich von Störfrequenzen
zu säubern,
kann die Gleichspannungs-Wandlervorrichtung eine eingangsseitig
vorgeschaltete Filtereinrichtung aufweisen. Diese filtert insbesondere
einen Frequenzbereich bis zu in etwa 50 kHz.
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Um eine entsprechende Kommunikationsverbindungen
in einfacher Weise und erst nach der Filterung zu realisieren, kann
der Filterrichtung in Richtung Gleichspannungsquelle eine Datensignal-/-auskoppeleinrichtung
vorgeordnet sein.
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Um die Gleichspannungs-Wandlervorrichtung
so auszugestalten, dass diese wie auch gegebenenfalls der mit ihr
verbundene elektrische Verbraucher autark steuer- und regelbar und überwacht werden
kann, kann ein Controller zumindest der Gleichspannungs-Wandlervorrichtung
und deren Bauteilen zugeordnet sein. Dieser kann beispielsweise
den Ausfall eines Wandlerbausteins und gegebenenfalls auch dessen
Position feststellen. Diese Informationen können über die Kommunikationsverbindung
und die Datensignalein-/-auskoppeleinrichtung an die Gleichspannungsquelle
und ihr zugeordnete Einrichtungen ermittelt werden. Dort kann eine
entsprechende Darstellung auf einer Wiedergabevorrichtung, wie einem
Bildschirm oder dergleichen, erfolgen. Ist eine entsprechende Anzahl
von Wandlerbausteinen ausgefallen, so kann außerdem eine Reparaturanforderung
durch den Controller abgegeben werden. Bis dahin besteht die Möglichkeit,
dass die noch funktionierenden Wandlerbausteine entsprechend nachgeregelt
werden, um den Ausfall der beschädigten
Wandlerbausteine zu kompensieren.
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Die Kompensation kann beispielsweise
dadurch erfolgen, dass jede Zener-Diode insbesondere bei Ausfall
eines anderen Schaltnetzteils der Gleichspannungs-Wandlervorrichtung
nachregelbar ist, um die Eingangsspannung des entsprechenden Schaltnetzteils
und damit dessen Ausgangsspannung soweit zu erhöhen, dass durch die noch funktionierenden
Schaltnetzteile der Ausfall des oder der beschädigten Schaltnetzteile kompensiert
wird.
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Es besteht ebenfalls die Möglichkeit,
dass eine entsprechende Nachregelung der Ausgangsspannung eines
Schaltnetzteils bei Ausfall anderer Schaltnetzteile direkt über eine
Veränderung
des Tastverhältnisses
der Schalttransistoren erfolgt.
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Um die Schalteinrichtung der verschiedenen Schaltnetzteile
unter insbesondere Steuerung bzw. Regelung des Controllers anzusteuern,
kann das Schaltnetzteil eine Pulsmo dulationseinrichtung aufweisen,
welche eine Folge von Pulsen mit änderbarer Breite und/oder Höhe und/oder
Frequenz zur Tastung der entsprechenden Schalteinrichtung bzw. der diese
bildenden Schalttransistoren abgibt.
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Es sei noch angemerkt, dass die Filtereinrichtung
zwischen Gleichspannungs-Wandlervorrichtung und Gleichspannungsquelle
beispielsweise durch relativ kleine Kondensatoren realisiert werden kann,
da die System-Grenzfrequenz durch die phasenverschobene Taktung
der Einzelwandlerbausteine sehr hoch ist.
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Die Verwendung der Last auf der Eingangsseite
eines jeden Wandlerbausteins ist erfindungsgemäß insbesondere von Vorteil.
Die Last ist insbesondere beim Hochfahren des Systems auf hohe Spannungen,
z. B. von 3000 Volt auf 6000 Volt, und beim entsprechenden Anheben
des zur Verfügung
gestellten Leistungsniveaus für
die elektrische Verbraucher wichtig, da sie vor tatsächlichem
Zuschalten oder Einschalten der elektrischen Verbraucher ein Hochschalten
des Gesamtsystems ermöglicht.
Solange noch keine Leistungsanforderung durch einen der elektrischen
Verbraucher erfolgt, wird die entsprechende Energie an den verschiedenen
Lasten der Wandlerbausteine verbraucht. Es liegt damit bereits eine
stabile Auslastung der Kabelverbindung bzw. der Koaxialkabelverbindung
zur Gleichspannungsquelle vor. Erst dann erfolgt eine Zufuhr von
Leistung zum elektrischen Verbraucher, indem dieser beispielsweise
ein- oder zugeschaltet wird. Ein bestimmter Teil der Energie (einige
Prozent) wird auch dann noch immer von der Last und der diese bildenden
Zener-Diode verbraucht, während
allerdings der größte Teil
der Energie dem oder den elektrischen Verbraucher zugeführt wird.
Das heißt,
eine Energieverteilung findet vor Ort im Bereich der Gleichspannungs-Wandlervorrichtung
statt und es erfolgt keine Rückkopplung
beispielsweise auf die Gleichspannungsquelle.
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Durch die spezielle Art der Schaltung
der Gleichspannungs-Wandlerbausteine ist außerdem gewährleistet, dass Leistung, Spannung
und Strom in einfacher Weise an entsprechende Anforderungen anpassbar
sind. Es können
je nach erforderlicher Leistung bzw. Spannung mehr oder weniger
Wandlerbausteine in entsprechender Ausführung verwendet werden.
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Im Folgenden werden vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung in der Zeichnung beigefügten Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine
prinzipielle Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Gleichspannungs-Wandlervorrichtung
gemäß Erfindung;
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2 eine
Prinzipskizze für
einen Gegentaktwandler zur Verwendung als Schaltnetzteil in 1;
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3 eine
Schaltung für
einen Vollbrücken-Gegentaktwandler;
und
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4 eine
Schaltung für
einen Halbbrücken-Gegentaktwandler.
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1 zeigt
eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Gleichspannungs-Wandlervorrichtung 1.
Diese weist eine Anzahl von Gleichspannungs-Wandlerbausteinen 5 auf, die
durch Schaltnetzteile 8 realisiert sind. Den Schaltnetzteilen 8 ist
in Richtung einer Gleichspannungsquelle 2 eine Filtereinrichtung 7 vorgeordnet. Die
Gleichspannungsquelle 2 ist in der Regel weit entfernt
zur Gleichspannungs-Wandlervorrichtung 1 angeordnet.
Die entsprechende Koaxialkabelverbindung 6 zwischen Gleichspannungsquelle 2 und Gleichspannungs-Wandlervorrichtung 1 dient
zur Übertragung
der Gleichspannung und kann beispielsweise mehrere Kilometer und
auch bis zu 50, 60 oder mehr Kilometern lang sein. Aufgrund der Übertragung
einer hohen Gleichspannung treten nur geringe Leitungsverluste entlang
der Koaxialkabelverbindung 6 auf und gleichzeitig ist noch
einen Kommunikationsverbindung über
diese Kabelverbindung realisierbar. Ein zusätzlicher Dämpfungsverlust wie bei Wechselspannung
tritt nicht auf.
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Um entsprechende Datensignale für die Kommunikationsverbindung
in die Koaxialkabelverbindung 6 ein- und auszuspeisen,
ist zwischen Filtereinrichtung 7 und Gleichspannungsquelle 2 eine
Datensignalein-/-auskoppeleinrichtung 16 der Filtereinrichtung 7 vorgeordnet.
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Die verschiedenen Schaltnetzteile 8 sind
jeweils als Gegentaktwandler, siehe 2-4 ausgebildet. Diese Gegentaktwandler
sind eingangsseitig seriell miteinander über eine entsprechende Leitung 27 und
auch mit der Koaxialkabelverbindung 6 verschaltet. Ausgangsseitig
sind die entsprechenden Schaltnetzteile parallel zueinander und
mit einer Kabelverbindung 4 verschaltet. Die Kabelverbindung 4 dient zur
Versorgung wenigstens eines elektrischen Verbrauchers 3 mit
von den Wandlerbausteinen 5 umgewandelter Gleichspannung.
Beispielhaft seien an dieser Stelle einige Werte für die von
der Gleichspannungsquelle 2 zugeführte Gleichspannung, die über die
Kabelverbindung übertragene
Leistung und die auf der Ausgangsseite der Gleichspannungs-Wandlervorrichtung 1 bereitgestellte
Spannung angegeben. Beispielsweise kann die Gleichspannungsquelle 6000
V über
die Koaxialkabelverbindung 6 an die Gleichspannungs-Wandlervorrichtung 1 übertragen. Durch
die serielle Verschaltung der Gleichspannungs-Wandlerbausteine 5 fällt bei
gleichartiger Ausbildung dieser Bausteine an jedem Baustein eine Spannung
von 6000 V/n ab, wobei n der Anzahl der Wandlerbausteine 5 entspricht.
Ist n beispielsweise 30, fällt über jedem
Wandlerbaustein eine Spannung von 200 V ab. Diese wird durch jeden
der entsprechenden Wandlerbausteine 5 beispielsweise in
eine Ausgangsspannung von 300 V umgesetzt und parallel in die Kabelverbindung 4 zur
Versorgung des oder der elektrischen Verbraucher 3 eingespeist.
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Solche elektrischen Verbraucher sind
beispielsweise Aktuatoren, wie Stellvorrichtung, Motor oder dergleichen,
die zur Betätigung
bestimmter Einrichtungen wie Ventile, Drosseln, Pumpen, Absperrorgane
oder dergleichen dienen. Diese Einrichtungen werden beispielsweise
verwendet, um die Strömung
eines Fluids in eine Leitung und in der Leitung zu steuern und zu
kontrollieren. Tritt beispielsweise ein Leck in der Leitung auf
und tritt das möglicherweise
aggressive Fluid in die Umgebung aus, so kann durch ein entsprechendes
Absperrorgan eine zugehörige
Fluidquelle gegenüber
der Leitung abgesperrt und damit ein weiteres Austreten des Fluids
in die Umgebung verhindert werden. Dementsprechend können die
Ventile und Drosseln als weitere Einrichtungen die Strömung des
Fluids kontrollieren. Die entsprechenden Aktuatoren können auch
relativ weit entfernt von der Gleichspannungs-Wandlervorrichtung 1 angeordnet
sein und werden je nach Erfordernis über die Kabelverbindung 4 mit
entsprechender Leistung und entsprechender Spannung versorgt.
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Ebenso ist es möglich, dass die Koaxialkabelverbindung 6 sehr
lang ist, so dass die Gleichspannungsquelle und weitere ihr zugeordnete
Einrichtungen an entfernte Stelle angeordnet sind. Beispielsweise
kann die Koaxialkabelverbindung 6 mehrere Kilometer und
auch bis zu 50 oder 60 oder mehr Kilometern lang sein. Die Gleichspannungsquelle 2 und
die ihr zugeordneten, in 1 nicht
weiter dargestellten Einrichtungen, können beispielsweise von Bedienpersonen
besetzt sein und an einer leicht zugänglichen Stelle der Erdoberfläche oder
Meeresoberfläche
angeordnet sein. Dagegen sind die Gleichspannungs-Wandlervorrichtung 1 und
die von ihr versorgten elektrischen Verbraucher an einer schwer zugänglichen
Stelle angeordnet, wie beispielsweise unterirdisch oder unter dem
Meeresspiegel.
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Zur Steuerung der Gleichspannungs-Wandlervorrichtung 1 und
zur Übertragung
entsprechender Daten an die Gleichspannungsquelle 2 bzw.
auch zum Empfangen entsprechender Daten von dort, ist ein Controller 17 vorgesehen.
Dieser steuert, überwacht
und gegebenenfalls regelt die verschiedenen Bauteile der Gleichspannungs-Wandlervorrichtung 1. Der
Controller 17 überwacht
ebenfalls entsprechende Parameter des oder der elektrischen Verbraucher 3 und
schaltet diese gegebenenfalls ein oder aus.
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In 1 sind
entsprechende Verbindungen des Controllers 17 mit den dort
dargestellten Einrichtungen durch gestrichelte Linien gekennzeichnet.
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Es sei angemerkt, dass der Controller 17 ebenfalls
die Datensignalein-/-Auskoppeleinrichtung 16 und damit
die Kommunikationsverbindung mit der Gleichspannungsquelle 2 überwacht.
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2 zeigt
ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel
für einen
Gegentaktwandler 9 als Schaltnetzteil 8. Dieser ist mit
seinen Eingangsanschlüssen 26 und 28 in
Serie mit den übrigen
Gegentaktwandlern 9 bzw. Schaltnetzteil 8 nach 1 verschaltet. Eingangsseitig
weist der Gegentaktwandler 9 eine Zener-Diode 32 und
einen Eingangskondensator 25 auf. Diese sind parallel zueinander
und zu einer Primärwicklung
eines Übertragers 24 verschaltet.
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Die Zener-Diode 32 kann
in einer an sich bekannter Weise aus einer Anzahl von Transistoren
und Lastwiderständen
aufgebaut sein.
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Der Primärwicklung des Übertragers 24 ist eine
Schalteinrichtung 11 zugeordnet. Diese ist in 2 als einfacher Schalter
dargestellt. Die tatsächliche
Realisierung dieser Schalteinrichtung 11 erfolgt durch
einen oder mehrere Schalttransistoren, siehe beispielsweise 3 und 4, wobei solche Schalttransistoren Leistungs-MOSFET,
BIMOS-FET oder Thyristoren
sein können.
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Die Primärwicklung ist magnetisch mit
einer Sekundärwicklung
des Übertragers 24 gekoppelt. Die
Sekundärwicklung
ist mit Ausgabeanschlüssen 29 und 30 des
Gegentaktwandlers 9 verschaltet. Zwischen Primärwicklung
und Ausgangsanschluss 29 sind eine Diode 20 und
eine Last 21 seriell verschaltet. Die Last 21 kann
beispielsweise eine Induktivität 23 nach 3 und 4 sein. Die Ausgangsanschlüsse 29 aller
Gegentaktwandler 9 bzw. Schaltungsteil 8 nach 1 sind parallel miteinander
und mit der Kabelverbindung 4 verschaltet. Die anderen
Ausgangsanschlüsse 30 sind
ebenfalls parallel zueinander und mit Masse 31 verschaltet.
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Parallel zur Sekundärwicklung
des Übertragers 24 ist
auf der Ausgangsseite des Gegentaktwandlers 9 ein Glättungskondensator 22 verschaltet.
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In den 3 und 4 ist ein entsprechender Gegentaktwandler 9 nach 2 im Detail einmal als Vollbrücken-Gegentaktwandler 10 und
einmal als Halbbrücken-Gegentaktwandler 19 mit
jeweils entsprechender Schaltung dargestellt. Solche Schaltungen
für Vollbrücken- bzw.
Halbbrücken-Gegentaktwandler 10, 19 sind
an sich bekannt. Unterschiedlich zu den bekannten Schaltungen ist
die jeweilige Verschaltung der Gegentaktwandler auf der Eingangsseite
und der Ausgangsseite, d. h. die eingangsseitige serielle und die
ausgangsseitige parallele Verschaltung der entsprechenden Anschlüsse.
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Weiterhin ist eingangsseitig bei
jedem Gegentaktwandler 9 oder 10, 19 die
Zener-Diode 32 parallel zur Primärwicklung des Übertragers 24 verschaltet.
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Diese Zener-Diode 32 dient
als eingangsseitige Last der verschiedenen Gegentaktwandler, um bereits
vor Ein- bzw. Zuschalten eines entsprechenden elektrischen Verbrauchers 3 das
System bezüglich
Spannung und Leistung hochzufahren. Solange der elektrische Verbrauch
noch nicht ein- bzw. zugeschaltet ist, wird die entsprechende Energie
in dem System von der Zener-Diode 32 verbraucht und in Wärme umgesetzt.
Wird dann der elektrische Verbrauch zugeschaltet, erfolgt eine Energieaufteilung
in jedem der Gegentaktwandler, wobei nur noch ein geringer Bruchteil
der Energie von der Zener-Diode 32 in Wärme umgesetzt wird.
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Aufgrund der Vielzahl von Zener-Dioden
und deren gegenseitigen Abstand führt die dort in Wärme umgewandelte
elektrische Energie nicht zu einer Überhitzung der Gleichspannungs-Wandlervorrichtung 1,
sondern kann je nach Ort der Anordnung der Wandlervorrichtung direkt
an Luft oder Wasser als Abwärme
abgegeben werden. Aufwendige Kühlsysteme
sind nicht erforderlich.
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Wird vom elektrischen Verbraucher
keine elektrische Energie mehr benötigt, wird dieser wieder abgeschaltet
bzw. vom System getrennt. Anschließend wird die gesamte Energie
vor Ort wieder von der Zener-Diode in Wärme umgesetzt. Wird dann der elektrische
Verbraucher bzw. ein anderer elektrischer Verbraucher nicht mehr
ein- bzw. zugeschaltet, kann das System insgesamt auf eine niedrigere
Spannung, wie 3000 Volt oder noch geringer, heruntergefahren werden.
Die heruntergefahrene Spannung wird noch für die Funktion des Controllers
und anderer ständig
in Betrieb verbleibender Einrichtungen der Gleichspannungs-Wandlervorrichtung 1 benötigt.
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Bei dem Vollbrücken-Gegentaktwandler 10 nach 3 sind insgesamt vier Schalttransistoren 12, 13, 14, 15 in
der Schalteinrichtung 11 integriert. Die Schalttransistoren 12, 13, 14, 15 arbeiten
paarweise zur gegentaktmäßigen Ansteuerung
des Übertragers 24,
wobei das Gegentakt-Tastverhältnis
1 : 1 ist.
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Auf der Ausgangsseite sind entsprechende Dioden 20 und
auf der Eingangsseite sind mehrere Eingangskondensatoren 25 vorgesehen.
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Zur Ansteuerung der verschiedenen
Schaltungstransistoren 12, 13, 14, 15 ist
in 4 eine Pulsmodulationseinrichtung 18 dargestellt.
Diese gibt eine Reihe von Pulsen ab, deren Breite und/oder Höhe und/oder
Frequenz zur Tastung der Schalttransistoren 12, 13, 14 und 15 bzw.
der Schalteinrichtung 11 variierbar sind.
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Zur Vereinfachung ist eine entsprechende Pulsmodulationseinrichtung 18 in
den 2 und 3 nicht dargestellt.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein DC-Wandler ist mit einer Gleichspannungsquelle
auf seiner Eingangsseite verbunden. Auf seiner Ausgangsseite übermittelt
der DC-Wandler eine abgewandelte Gleichspannung wenigstens einem
elektrischen Verbraucher über
eine Kabelverbindung. Um einen solchen DC-Wandler dahingehend zu
verbessern, dass er vergleichsweise einfachen Aufbau aufweist und
zuverlässig
hohe Gleichspannungen umwandeln kann, selbst bei hoher Leistung,
und dass die Zuverlässigkeit
des Wandlers verbessert und auf ein Kühlsystem mit hohen Kosten verzichtet
werden kann, weist der DC-Wandler eine Vielzahl von DC-Wandlerbausteinen
auf, von denen jeder auf seiner Eingangsseite seriell mit der Gleichspannungsquelle
und auf seiner Ausgangsseite parallel mit der Kabelverbindung verschaltet
ist, um eine umgewandelte Gleichspannung dem elektrischen Verbraucher
zuzuführen.