DE10331866A1 - Einrichtung zur Steuerung einer Spulenanordnung mit elektrisch variierbarer Induktivität - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine spezielle Ansteuerung für stromsteuerbare Induktivitäten, die eine gegenüber dem Stand der Technik erheblich beschleunigte Induktivitätsänderung ermöglicht. Die erfindungsgemäße Ansteuerung ist auf Spulenanordnungen anwendbar, die wenigstens eine Steuerwicklung und mindestens zwei Arbeitswicklungen auf einem ferro- oder ferrimagnetischen Kernmaterial tragen. Die beschleunigte Induktivitätsänderung wird durch einen demagnetisierenden inversen Spannungsimpuls erzielt, der von einem speziellen Schaltungsteil generiert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Steuerung einer Spulenanordnung mit elektrisch variierbarer Induktivität und eine Spuleneinrichtung, die eine solche Spulenanordnung mit variabler Induktivität umfaßt, welche über einen Strom gesteuert werden kann.
  • Die Erfindung betrifft spezieller eine Einrichtung zur Ansteuerung einer Spulenanordnung mit veränderbarer Induktivität, welche besonders rasche Änderungsraten der Induktivität ermöglicht. Sie ist immer dann anwendbar, wenn die Induktivitätsänderung der Spulenanordnung mittels einer strominduzierten Vormagnetisierung erzielt wird und wenn mindestens zwei Arbeitswicklungen vorhanden sind, welche parallel geschaltet sind.
  • Die Erfindung kann grundsätzlich in all solchen Anwendungen eingesetzt werden, in denen stromsteuerbare, variable Induktivitäten zur Steuerung eines elektrischen Wechselstroms benötigt werden. Spezieller ist die Erfindung anwendbar auf stromsteuerbare, variable Induktivitäten, die eine Steuerwicklung und zwei parallel geschaltete Arbeitswicklungen aufweisen, wie beispielsweise in 2 dargestellt.
  • Spulenanordnungen mit veränderbarer Induktivität werden in energietechnischen und nachrichtentechnischen Anwendungen eingesetzt. Eine erfindungsrelevante Anwendung von Spulen mit veränderlicher Induktivität liegt im Bereich von Schaltnetzteilen, um die im Hochfrequenzbereich stattfindende Energieübertragung den schwankenden Lastanforderungen anzupassen.
  • Beispiele solcher Schaltnetzteile sind beschrieben in „High Power Densities at High Power Levels" von A. Jansen et al. in CIPS 2002, 2nd International Conference on Integrated Power Systems", 11.–12. Juni 2002, Bremen, DE und in der deutschen Patentanmeldung 103 21 234.5, auf die Bezug genommen wird.
  • Für die Realisierung einer solchen elektrisch steuerbaren Induktivität kann der Effekt ausgenutzt werden, daß die relative magnetische Permeabilität von ferro- und ferrimagnetischen Werkstoffen mit der magnetischen Flußdichte im Material sinkt. Aufbauend auf diesem Wirkungsprinzip wurden in der Vergangenheit zahlreiche Spulenanordnungen vorgeschlagen, die mittels eines Stroms in einer Steuerspule eine Vormagnetisierung eines magnetisch hoch permeablen Spulenkerns bewirken und so die Induktivität der Arbeitswicklung, die ebenfalls auf dem Spulenkern aufgebracht ist, steuern.
  • In dem U.S. Patent 6,317,021 wird vorgeschlagen, eine Parallelschaltung von zwei Arbeitswicklungen derart vorzusehen, daß sich die durch diese Wicklungen erzeugten magnetischen Flüsse für die Steuerwicklung aufheben.
  • Die deutsche Patentanmeldung 102 60 246.8 schlägt eine Spulenanordnung mit veränderbarer Induktivität vor, die zwei getrennte Ringkernspulen aufweist, welche Arbeitswicklungen tragen, sowie eine Steuerwicklung, die zur Vormagnetisierung des Kernmaterials der Ringkernspulen die beiden bewickelten Ringkernspulen umgreift.
  • Die Erfindung ist insbesondere anwendbar auf stromsteuerbare, variable Induktivitäten, die parallel geschaltete Arbeitswicklungen aufweisen, wie sie oben mit Bezug auf das U.S. Patent 6,317,021 umrissen wurden. In der folgenden Beschreibung bezieht sich der Begriff Induktivität somit auf die Arbeitswicklungen und insbesondere auf die parallel geschalteten Arbeitswicklungen einer solchen Spule.
  • In solchen Spulenanordnungen bewirkt ein Gleichstrom in der Steuerwicklung eine Gleichstrom-Vormagnetisierung des gesamten Kernmaterials und verändert damit die Induktivität der Arbeitswicklungen. Es ist offensichtlich, daß die Richtung des Gleichstroms für die Vormagnetisierung beliebig ist.
  • Der Hauptnachteil dieser stromsteuerbaren, variablen Induktivitäten ist die relativ lange Demagnetisierungszeit des Kernmaterials, woraus sich eine langsame Induktivitätsänderung von niedriger zu hoher Induktivität ergibt. Wenn die variable Induktivität beispielsweise als ein Wechselstrom-Leistungsventil in der Sekundärregelschleife eines Schaltnetzteils verwendet wird, führt diese Trägheit zu erheblichem Überschwingen nach dem Auftreten von Lastsprüngen, die von einer hohen Last auf eine niedrige Last gehen. Dieses Überschwingen der Spannung wird im Stand der Technik durch Klemm-Schaltkreise aufgefangen. Diese Klemm-Schaltkreise setzen eine Vielzahl von Komponenten jedoch hohen Belastungen aufgrund von Kurzschlußströmen aus.
  • In der Vergangenheit bestand somit das Problem, daß die stromsteuerbaren, variablen Induktivitäten der beschriebenen Art nur sehr langsame Induktionsänderungen durchlaufen können, das heißt nur innerhalb von mehreren Millisekunden ihre Induktivität vom Minimalwert zum Maximalwert verändern können.
  • Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, diesen Prozeß der Induktivitätsänderung zu beschleunigen und dadurch Klemmschaltungen überflüssig zu machen und den damit verbundenen hohen Bauteilstreß zu vermeiden.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung zur Ansteuerung einer Spulenanordnung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zur Ansteuerung einer Spulenanordnung gemäß Anspruch 9 gelöst. Die Erfindung sieht auch eine Spuleneinrichtung gemäß Anspruch 7 sowie ein Schaltnetzteil, welches eine solche Spuleneinrichtung verwendet, gemäß Anspruch 8 vor.
  • Kurz zusammengefaßt betrifft die Erfindung eine spezielle Ansteuerung für stromsteuerbare Induktivitäten, die eine gegenüber dem Stand der Technik erheblich beschleunigte Induktivitätsänderung ermöglicht. Die erfindungsgemäße Ansteuerung ist auf Spulenanordnungen anwendbar, die wenigstens eine Steuerwicklung und mindestens zwei Arbeitswicklungen auf einem ferro- oder ferrimagnetischen Kernmaterial tragen. Die beschleunigte Induktivitätsänderung wird durch einen demagnetisierenden inversen Spannungsimpuls erzielt, der von einem speziellen Schaltungsteil generiert wird.
  • Erfindungsgemäß ist ein Schaltkreis vorgesehen, der einen Steuerstrom in die Steuerwicklung speist, um die Induktivität der Spulenanordnung zu verändern. Zusätzlich ist ein Demagnetisierungsschaltkreis vorgesehen, der einen inversen Spannungsimpuls erzeugt und an die Steu erwicklung anlegt, um die Änderung und insbesondere Vergrößerung der Induktivität der Spulenanordnung zu beschleunigen. Mit inverser Spannungsimpuls wird ein Impuls bezeichnet, dessen Vorzeichen invers zum Vorzeichen des Steuerstrom ist. Ist z. B. der Steuerstrom in einer definierten Richtung positiv, dann ist der Spannungsimpuls in dieser definierten Richtung negativ, und umgekehrt. Im folgenden wird daher auch von einem negativen Spannungsimpuls gesprochen. Durch das Anlegen eines Spannungsimpulses mit inverser Polarität (in bezug auf den Steuerstrom) wird der Eisenkern der Spulenanordnung mit einem höheren Spannungsbetrag demagnetisiert. Da die Demagnetisierungszeit umgekehrt proportional zu dem Betrag des Spannungsimpulses ist, kann theoretisch eine beliebig kurze Abschaltzeit realisiert werden. Die Dauer und der Betrag des inversen Spannungsimpulses sind jedoch insofern kritisch, als ein zu kurzer Impuls den Abschaltprozeß nicht vollständig beenden würde, während ein zu langer Impuls ein unerwünschtes Neu-Einschalten auslösen würde.
  • Erfindungsgemäß sind daher die Dauer und/oder der Betrag des Spannungsimpulses einstellbar. Insbesondere werden die Dauer und/oder der Spannungsimpuls abhängig von dem Steuerstrom eingestellt, der unmittelbar vor dem Anlegen des inversen Spannungsimpulses in die Steuerwicklung gespeist wurde. Die richtige Impulsdauer kann somit durch kontinuierliches Überwachen des Steuerstroms, welcher an die variable Induktivität angelegt war, abgeleitet werden, wobei die Dauer oder Breite des inversen Spannungsimpulses durch den aktuellen Strompegel bestimmt wird. In einigen Anwendungen kann jedoch auch eine feste Impulsbreite wünschenswert sein.
  • Die Erfindung basiert auf folgenden Überlegungen und Erkenntnissen. Bei der in Rede stehenden Spulenanordnung, welche zwei parallel geschaltete Arbeitswicklungen aufweist, verhalten sich die Arbeitswicklungen wie parallel geschaltete Drosseln, weil das Magnetfeld der einen Arbeitswicklung die andere Arbeitswicklung nicht durchdringt. Der Magnetfluß jeder Drossel (Arbeitswicklung) geht durch die Steuerwicklung. Die Magnetflüsse durchdringen diese jedoch in entgegengesetzte Richtungen. Da beide Arbeitswicklungen dieselbe Windungsanzahl haben und mit derselben Spannung gespeist werden, ist der Betrag der Magnet flüsse gleich, so daß der Netto-Magnetfluß in der Steuerwicklung Null ist. Die Steuerwicklung ist somit für elektrische Signale, die an den Arbeitswicklungen anliegen, elektrisch neutral, das heißt elektrisch nicht wechselwirkend. Die parallel geschalteten Arbeitswicklungen wirken dagegen für jedes Wechselstromsignal an der Steuerwicklung wie eine kurzgeschlossene Sekundärwicklung.
  • 1 zeigt ein Ersatzschaltbild für die stromsteuerbare, variable Induktivität, das zur Erläuterung der Parameter dient, welche für ein Einschalt- und Abschaltgeschwindigkeit relevant sind. In 1 bezeichnet RP den Widerstand der Steuerwicklung und Rs den Serienwiderstand der zwei Arbeitswicklungen (oder Sekundärwicklungen), der gleich vier mal dem Meßwert der parallel geschalteten Arbeitswicklungen ist. Das Symbol n ist das Wicklungsverhältnis der Steuerwicklung zu einer Arbeitswicklung. Lc bezeichnet die Induktivität der Steuerwicklung. Wenn der Schalter S geschlossen ist, ergibt sich die Gleichung für die Zunahme des Magnetisierungsstroms wie folgt:
    Figure 00060001
  • Von besonderem Interesse ist hierbei die Änderungsrate des Stromes, weil diese auch die Änderungsrate des Magnetfeldes definiert:
    Figure 00060002
  • Der Fachmann erkennt, daß niedrige Werte von Rs den Einschaltprozess, das heißt die Induktivitätsänderung vom Maximalwert auf den Minimalwert, langsam machen. Im Hinblick auf einen hohen Wirkungsgrad sollte Rs andererseits klein sein. Um den Einschaltvorgang zu beschleunigen, kann somit entweder RP reduziert oder VC erhöht werden. Die zuerstgenannte Strategie wird aber wirksam, sobald RP kleiner wird als nRs. Die effektivste Art und Weise zum Beschleunigen der Einschaltgeschwindigkeit ist jedoch die Erhöhung von VC.
  • Bei einem Abschalten bleibt der Schalter S normalerweise offen (oder hochohmig). Das Magnetfeld nimmt mit derselben Geschwindigkeit ab, wie der Strom durch nRs abnimmt:
    Figure 00070001
  • Der Fachmann wird verstehen, daß die Änderungsgeschwindigkeit oder -rate klein ist, weil Rs mit Rücksicht auf den Wirkungsgrad klein gehalten werden muß.
  • Gleichung (2) eröffnet eine weitere Möglichkeit für das schnelle Abschalten (Erhöhen der Induktivität), die in der Erfindung genutzt wird. Durch Anlegen einer negativen Spannung Vc kann die Demagnetisierung der variablen Induktivität mit nahezu beliebiger Geschwindigkeit erzwungen werden. In der Praxis ist es wichtig, den inversen Spannungsimpuls zu unterbrechen, sobald der Magnetisierungsstrom iL Null ist.
  • Aus dieser Erkenntnis kann in der Praxis eine optimale Dauer für den inversen Spannungsimpuls abgeleitet werden, indem die Gleichung (1) für iL(t) = 0 nach t aufgelöst wird:
    Figure 00070002
  • In Gleichung (4) muß beachtet werden, daß Vc einen negativen Wert darstellt, weil es durch einen inversen Spannungsimpuls gebildet wird. In der Praxis kann die richtige Dauer für den inversen Spannungsimpuls durch eine kontinuierliche Überwachung des Steuerstroms der variablen Induktivität und durch Erfassung des Steuerstroms unmittelbar vor dem Auslösen des inversen Spannungsimpulses abgeleitet werden.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen. In den Figuren zeigen:
  • 1 ein Ersatzschaltbild einer stromsteuerbaren, variablen Induktivität gemäß dem Stand der Technik;
  • 2 einen Schaltplan für eine Einrichtung zur Ansteuerung einer Spulenanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; und
  • 3 einen Schaltplan für eine Einrichtung zur Ansteuerung einer Spulenanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
  • 2 zeigt ein Beispiel eines Schaltkreises zur Ansteuerung einer Spulenanordnung mit variabler Induktivität gemäß der Erfindung. Die Spulenanordnung ist in 2 allgemein mit 10 bezeichnet. Sie umfaßt eine Steuerwicklung 12 und zwei parallel geschaltete Arbeitswicklungen 14, 16. Während des Normalbetriebs wird die Spulenanordnung 10 über einen herkömmlichen Steuerschaltkreis 18 angesteuert. Der Steuerschaltkreis 18 ist über einen Schalter S1 mit der Spulenanordnung 10 verbunden. In der Praxis kann die Spulenanordnung 10 mit dem Steuerschaltkreis 18 beispielsweise in einer Sekundärregelschleife eines Schaltnetzteils integriert sein.
  • Wenn die Schaltung der 2 an einem Eingang 20 ein Signal empfängt, das ein schnelles Abschalten der Induktivität (d. h. eine schnelle Erhöhung der Induktivität) anfordert, wird ein Demagnetisierungsschaltkreis aktiviert, der in 2 allgemein mit 22 bezeichnet ist. Ein schnelles Abschalten der veränderbaren Induktivität kann z. B. notwendig sein, wenn erkannt wird, daß bei Schaltvorgängen ein starkes Überschwingen der Spannung droht.
  • Der Demagnetisierungsschaltkreis 22 umfaßt einen Einzel-Impuls-Generator 24, der z. B. durch ein Monoflop realisiert ist. Das Ausgangssignal des Einzel-Impuls-Generators 24 ist ein einzelner Impuls, der den Schalter S1 umschaltet und dadurch die Steuerwicklung 12 von dem Steuerschaltkreis 18 trennt und mit einer negativen Spannung -U verbindet. Die negative Spannung -U liegt während der Dauer des einzelnen Impulses an der Steuerwicklung 12 an, um die Demagnetisierung des Kernmaterials der Spulenanordnung zu beschleunigen.
  • Erfindungsgemäß wird die Dauer dieses Steuerimpulses vorzugsweise abhängig von dem Betrag des Steuerstroms abgeleitet, der unmittelbar vor dem Umschalten an der Steuerwicklung 12 angelegen hat. Dieser Steuerstrom wird über den Widerstand R1 erfaßt und an den Einzel-Impuls-Generator 24 übergeben, damit dieser die Impulslänge einstellt.
  • Der in 2 gezeigte Widerstand R2 sowie der Kondensator C2 dienen als ein Hochfrequenz-Sperrfilter. Die Arbeitsanschlüsse der Arbeitswicklungen 14 und 16 sind mit P1 und P2 bezeichnet.
  • 3 zeigt einen Schaltplan der Einrichtung zur Ansteuerung einer Spulenanordnung mit variabler Induktivität gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung. Entsprechende Komponenten in 2 sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und nicht nochmals beschrieben.
  • Bei der Ausführung der 3 ist die Impulsbreite des von dem Einzel-Impuls-Generator 24 eingestellten inversen Spannungsimpulses fest vorgegeben. Dadurch ist die Spulenanordnung 10 über den Schalter S1 während einer festen vorgegebenen Dauer mit der negativen Spannung -U verbunden. Bei dieser Ausführung wird jedoch der Betrag der negativen Spannung -U abhängig von dem Steuerstrom in der Steuerwicklung 12 unmittelbar vor dem Anlegen des inversen Spannungsimpulses bestimmt. Hierzu wird der Kondensator C1 auf eine Spannung geladen, welche proportional zu dem Steuerstrom ist, der durch die Steuerwicklung 12 der Spulenanordnung fließt. Demzufolge wird der inverse Spannungsimpuls oder Demagnetisierungsimpuls einen höheren Betrag haben, wenn die Vormagnetisierung der Spulenanordnung stärker ist. Die Diode D9 verhindert eine Rückwärtsladung des Kondensators C1. Der durch die Steuerwicklung 12 fließende Strom wird über den Widerstand R1 erfaßt.
  • Die in der bevorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
  • 10
    Spulenanordnung
    12
    Steuerwicklung
    14, 16
    Arbeitswicklungen
    18
    Steuerschaltkreis
    20
    Eingang
    22
    Demagnetisierungsschaltkreis
    24
    Einzel-Impuls-Generator
    RP, Rs
    Widerstand
    Lc
    Induktivität
    S, S1
    Schalter
    R1, R2, R3, R4
    Widerstand
    C1, C2
    Kondensator
    P1, P2
    Anschlüsse
    n
    Windungszahlverhältnis (Steuerwicklung zu je einer Arbeitswicklung)
    n2·Rs
    Auf Primärseite (Steuerwicklungsseite) tranformierter Gesamtwider
    stand (Serienwiderstand) der beiden Arbeitswicklungen

Claims (11)

  1. Einrichtung zur Ansteuerung einer Spulenanordnung (10) mit elektrisch variierbarer Induktivität, wobei die Spulenanordnung (10) wenigstens eine Steuerwicklung (12) und zwei parallel geschaltete Arbeitswicklung (14, 16) aufweist, die auf ein Kermnaterial aufgebracht sind, mit einem Steuerschaltkreis (18), der einen Steuerstrom in die Steuerwicklung (12) speist, um die Induktivität der Spulenanordnung (10) zu verändern, und einem Demagnetisierungsschaltkreis (22), der einen inversen Spannungsimpuls erzeugt und an die Steuerwicklung (12) anlegt, um die Änderung der Induktivität der Spulenanordnung (10) zu beschleunigen.
  2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer und/oder der Betrag des inversen Spannungsimpulses einstellbar sind.
  3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Demagnetisierungsschaltkreis (22) Mittel (R1) zum Erfassen des Steuerstroms vor dem Anlegen des inversen Spannungsimpulses an die Steuerwicklung (12) und Mittel zum Einstellen (24; R2, R3) des Spannungsimpulses abhängig davon aufweist.
  4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (24) zum Einstellen des Spannungsimpulses die Impulsdauer abhängig von dem Steuerstrom einstellen.
  5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (R2, R3) zum Einstellen des Spannungsimpulses den Betrag des Impulses abhängig von dem Steuerstrom einstellen.
  6. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Demagnetisierungsschaltkreis (22) einen elektronischen Schalter (S1) umfaßt, um während des Anlegens des Spannungsimpulses den Steuerschaltkreis (18) von der Spulenanordnung (10) zu trennen.
  7. Spuleneinrichtung umfassend eine Spulenanordnung (10) mit variabler stromsteuerbare Induktivität, die wenigstens eine Steuerwicklung (12) und eine zwei parallel geschaltete Arbeitswicklung (14, 16) aufweist, die auf ein Kernmaterial aufgebracht sind, und eine Einrichtung zur Ansteuerung der Spulenanordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
  8. Schaltnetzteil mit einer Eingangsschaltstufe auf einer Primärseite und wenigstens einem Ausgangskanal auf einer Sekundärseite, wobei der Ausgangskanal einen Sekundärregelkreis mit einer Spuleneinrichtung (10) nach Anspruch 7 aufweist.
  9. Verfahren zur Ansteuerung einer Spulenanordnung (10) mit variabler Induktivität, wobei die Spulenanordnung (10) wenigstens eine Steuerwicklung (12) und Arbeitswicklungen (14, 16) aufweist, die auf ein Kernmaterial aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuerstrom in die Steuerwicklung (12) gespeist wird, um die Induktivität der Spulenanordnung (10) zu verändern, und ein inverser Spannungsimpuls erzeugt und an die Steuerwicklung (12) angelegt wird, um die Änderung der Induktivität der Spulenanordnung (10) zu beschleunigen.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer und/oder der Betrag des Spannungsimpulses abhängig von der Größe des Steuerstroms vor dem Anlegen des Spannungsimpulses eingestellt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß während des Anlegens des Spannungsimpulses der Steuerstrom gesperrt wird.
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