DE1804430A1 - Gleichstromuebertrager mit variablem UEbersetzungsverhaeltnis - Google Patents

Gleichstromuebertrager mit variablem UEbersetzungsverhaeltnis

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DE1804430A1 DE19681804430 DE1804430A DE1804430A1 DE 1804430 A1 DE1804430 A1 DE 1804430A1 DE 19681804430 DE19681804430 DE 19681804430 DE 1804430 A DE1804430 A DE 1804430A DE 1804430 A1 DE1804430 A1 DE 1804430A1
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Description

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DORNIER SYSTEM GMBH
Priedrichshafen
Gleichstromübertrager mit variablem Übersetzungsverhältnis
Die Erfindung betrifft einen Gleichstromübertrager mit variablem Übersetzungsverhältnis. Solche Übertrager sind z.B. dann erforderlich, wenn eine veränderliche und während des Betriebes Schwankungen unterworfene Generator-Gleichspannung an eine konstante Verbraucherspannung anzupassen ist.
Da Gleichstrom sich nicht ohne weiteres hochtransformieren läßt,muß erst eine Umformung stattfinden. Hierzu werden zum Beispiel Motor-Generator-Systeme verwendet. Ihr Einsatz ist aber praktisch nur für höhere Leistungen zweckmäßig. Nicht aber dann, wenn es sich um kleinere elektrische Leistungen handelt. Ferner sind diese Systeme schwer und unhandlich und erfordern vor allen Dingen laufende Wartung. Eine andere bekannte Methode der Gleichstromübertragung besteht darin, den Primärstrom zu zerhacken und den zerhackten Strom wie Wechselstrom hochzutransformieren und anschließend wieder gleichzurichten. Diese Über-, trager gestatten aber nicht ohne weiteres, das Übersetzungsverhältnis in einfacher Weise zu verändern.
Ein bekannter Gleichstromübertrager ist der sogenannte Einwicklungssperrwandler. Bei ihm kann die Gleichstrom-Energie auf eine andere Spannung transformiert werden, in dem vom Generator zunächst eine Drossel mit magnetischer Energie aufgeladen wird. Hierzu wird durch eine Umschaltung erreicht, daß die Drossel ihre gespeicherte Energie mit anderer Spannung an einen Ver-
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braucher abgibt. Die Drossel kann dabei längs oder quer zwi- ** sehen die Adern der Verbindungsleitung zwischen Generator und Verbraucher eingeschaltet sein. In beiden Fällen sind zwei Schalter erforderlich, die abwechselnd den Strom zur und von der Drossel fließen lassen bzw. sperren. In Weiterbildung dieser Schaltung kann der die Verbindung zwischen Drossel und" Verbraucher herstellende Schalter auch durch eine Diode ersetzt werden. Vorteilhaft bei dieser letztgenannten Schaltung ist ihr einfacher Aufbau und Umstand, daß der Primärstrom nicht mehr ·■j vollständig unterbrochen werden muß, also zeitweise ganz zu ' Null wird.. Der Hauptnachteil des Kinwicklungssperrwandlers besteht aber darin, daß keine Potential-Trennung zwischen Primärseite und Sekundärseite möglich/ ist und daß er nur ein beschränktes Übersetzungsverhältnis aufweist. Außerdem bereitet es Schwierigkeiten, das Übersetzungsverhältnis sehr groß zu wählen, z. B. 1;20 und mehr.
Eine Potential-Trennung wird nun beim sogenannten Zweiwicklungssperrwandler erreicht. Er hat aber wiederum den Nachteil, daß bei jedem Schalten der'Primärstrom für gewisse Zeit völlig unterbrochen wird. Eine solche Stromunterbrechung ist aber in vielen Fällen prinzipiell oder wegen des daraus resultierenden Oberwellengehaltes nicht erwünscht, z.B. bei einer in Satelliten eingebauten Energieversorgungsanlage, bei der als Generator Solarzellen verwendet werden. Dieses Beispiel zeigt besonders deutlich die Schwierigkeiten und die Forderungen, die an einen Gleichstromübertrager gestellt werden. Die anfallenden Priaärspannungen beziehungsweise zur Verfügung stehenden Leistungen sind gering und schwanken verhältnismäßig stark je nach der augenblicklichen Lage und dem Abstand des Satelliten^von der Sonne. Ferner soll - wie schon erwähnt - der Gleichstrom primärseitig möglichst nicht unterbrochen werden und generell , einen geringen Oberwellengehalt aufweisen. Schließlich muß das
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übersetzungsverhältnis des Gleichstromübertragers beliebig wählbar und leicht an die Schwankungen des Generators anpaßbar sein, damit der sekundärseitige Verbraucher stets eine konstante Spannung und, beim Einsatz einer selbstanpassenden Steuerung der "Leistung, auch jeweils die höchstmögliche Leistung erhält. Nicht zuletzt besteht außerdem noch die wichtige Forderung, daß gerade bei einem Satelliten der Gleichstrom-Übertrager kein schweres und aufwendiges Bauteil sein·soll.
Der Zweiwicklungsaperrwandler kann diese Forderungen nicht alle erfüllen; den Anforderungen entsprechen schon eher die sogenannten DurchfluBwandler. Bei ihnen wird der iSnörgieflufi vom.Generator zum Verbraucher nie unterbrochen. Ihr wesentlicher Bestandteil ist ein Transformator, an den die primäre (Sieichspannung abwechselnd in unterschiedlicher Richtung angelegt wird. Vorteilhafterweise geschieht dies symmetrisch zu einer Mittelanzapfung der Primärwicklung; die senkundärseitig auftretende Wechselspannung wird gleichgerichtet und dem Verbraucher zugeführt. Eine Veränderung bzw. Steuerung des Übersetzungsverhältnisses ist möglich, wenn sämtliche senkundäraeitigen Gleichrichter-Ventile steuerbar sind bzw. wenn primäreeitig eine Pulsbreiten-Modulation durchgeführt wird. Diese beiden Lösungen bringen jedoch einen hohen Oberwellengehalt des Primärstromes mit sich,führen zu hohen Gewichten und, bei der zweitgenannten Lösung, zu besonderer Beanspruchung der Primär-Ventile.'
Aufgabe der Erfindung war es, einen Gleichstromübertrager mit variablem übersetzungsverhältnis zu schaffen, der alle oben genannten Forderungen erfüllt und dabei auf einfache Weise steuerbar ist. Dies wird bei einem Gleichstromübertrager, der aus einem Transformator besteht, dessen"Primärwicklung abwechselnd vom Gleichstrom in der einen und in der anderen Richtung durchflossen wird und auf dessen Sekundärseite eine Gleichrichtung erfolgt, dadurch erreicht, daß an die Sekundärwicklung des Transformators noch wenigstens eine zusätzliche Wicklung
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angeschiossen und in die vom Wicklungsende zum Verbraucher führenden Leitungen je ein steuerbares Ventil eingesetzt ist, wobei der Einschalt-Zeitpunkt der steurbaren Ventile gegenüber dem Umschalt-Zeitpunkt des Primärstromes· zur Steuerung des Übersetzungsverhältnisses einstellbar ist. Somit erhält der Einschalt-Zeitpunkt für die steuerbaren Sekundär-Ventile eine einstellbare zeitliche Verzögerung gegenüber den primären Umschaltzeiten. Dabei können die Schalter auf der Primärseite mechanischer Art oder auch als elektronische Schalter ausgebildet sein. Gemäß weiterer Ausbildung der Erfindung kann die Sekundärwicklung des Transformators einseitig eine Zusatzwicklung aufweisen, von der zwei entgegengesetzt gepolte steuerbare Ventile zu den von der Gleichrichterschaltung versorgten Verbraucheranschlüssen führen. Bei einer Variante des Erfindungsgedankens ist die Sekundärwicklung mit einer Mittelanzapfung versehen und dort die eine Verbraucherleitung angeschlossen. An beiden Enden der Sekundärwicklung befindet sich je eine Zusatzwicklung. Vom geraeinsamen Anschlußpunkt von Sekundärwicklung und Zusatzwicklung führt jeweils ein nicht steuerbares Ventil zum anderen Verbraucheranschluß und außerdem führt von den freien Enden der Zusatzwicklungen je ein steuerbares Ventil ebenfalls zum anderen Verbraucheranschluß.
Da sekundärseitig eine höhere Spannung auftritt als primärseitig, steht der Verwendung von '.Thyristoren nichts im Wege, denn ihre Schleusenspannung fällt auf der Oberspannungsseite nicht mehr so stark ins Gewicht wie es auf der Unterspannungsseite der Fall wäre. Die Steuerung des Übersetzungsverhältnisses wird - wie oben erwähnt - dadurch erreicht, daß der Einschalt Zeitpunkt für die steuerbaren Ventile auf der Senkundärseite gegenüber dem UmschaltZeitpunkt der Schalter auf der Primärseite verschoben ist. Dies kann auf verschiedene Weise durchgeführt werden, z.B. dadurch, daß die Umschaltung auf der Primärseite mit einer konstanten Frequenz erfolgt und die Schalt-
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Zeitpunkte auf der Sekundärseite gegenüber den Schaltzeitpunkten auf der Primärseite eine einstellbare Verzögerung aufweisen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine bestimmte zeitliche Verzögerung für den SchaltZeitpunkt der steuerbaren Ventile auf der Sekundärseite fest einzustellen, dafür_aber auf der Primärseite die Umsehaltvorgänge mit veränderlicher Frequenz durchzuführen. In beiden Fällen wird erreicht, daß das Verhältnis zwischen Periodendauer der primären Umschaltung und der zeitlichen Verzögerung auf der Sekundärseite verändert wird. Dieses Verhältnis ist für das Übersetzungsverhältnis maßgeblich.
Jarartige nach der Erfindung ausgebildete Gleichstromübertrager mit angezapfter Sekundärwicklung bie_ten eine einwandfreie Potential-Trennung zwischen Primärseite und Sekundärseite und zeichnen sich durch eine nur geringe Pulsation des Primärstromes sowie durch geringes Gewicht aus. Sie sind in ihrem Aufbau sehr einfach und arbeiten zuverlässig, so daß « sie im Zusammenhang mit einem selbstoptimierenden Regelverfahren sämtliche oben gestellten Forderungen erfüllen.
An Hand der Zeichnungen sei ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert;
Fig. 1 zeigt einen Gleichstromübertrager mit variablem Übersetzungsverhältnis
Figuren 2 a bis 2 f zeigen den Strom- bzw. Spannungsverlauf
an verschiedenen Stellen des Übertragers gemäß Fig. 1. Fig. 3 zeigt eine Abwandlung des Gleichstromübertragers gemäß
Fig. 1 .
Fig. 4 und 5 zeigen in graphischer Darstellung die Veränderung des Ubersetzungsverhältnieeses
Der Gleichstromübertrager in Fig. 1 besteht aus einem Transformator Tr, dessen Primärseite in zwei Teilwicklungen w 1 aufgeteilt ist. Die von der Generatorseite A kommende Spannung wird in Mittelpunktschaltung symmetrisch im Gegentakt an
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die eine und an die andere Wicklung w 1 gelegt. Hierzu dienen zwei Schalter S 1 und S 2. Diese beiden Schalter werden von einem Frequenz-Generator P betätigt, der mit fest eingestellter Frequenz bzw. Periode T die beiden Schalter abwechselnd den einen öffnet und den andern schließt. Die beiden Schalter sind der Einfachheit halber als Kontakte eingezeichnet; es können selbstverständlich auch elektronische Schalter verwendet werden. Im Primärkreis ist außerdem noch eine Drossel D eingefügt. Ferner können zum Generator hin noch weitere EIemente vorgeschaltet sein, wie z.B. ein gestrichelt eingezeichneter Glättungs-Kondensator. Diese Bauteile sind aber für das
fc Wesen der Erfindung ohne Bedeutung und brauchen daher nicht berücksichtigt zu werden.
Die Sekundärwicklung ist in zwei Teilwicklungen aufgeteilt, und zwar in die Teilwicklung w 2, an die eine Gleichrichterschaltung G angeschlossen ist. Von dieser Gleichrichterschaltung führen die Versorgungsleitungen a und b zum Verbraucheranschluß B. Dort kann z.B. noch eine nicht dargestellte Pufferbatterie vorgesehen sein. Auf der Sekundärseite befindet sich nun zusätzlich noch eine Teilwicklung w 2'. An das freie Ende dieser Zusatzwicklung sind die beiden Versorgungs-Adern a und b der Verbraucherleitung angeschlossen, und zwar jeweils über ein steuerbares Ventil V 1 bzw. V 2. '»'ie angedeutet, ist der SchaltZeitpunkt dieser tentile durch ein Steuergerät R ein-
* stellbar. Das Steuergerät R steht - wie durch den Pfeil angedeutet - in Verbindung mit dem primärseitigen Frequenz-Generator F und erhält yon letzterem die UmschaltZeitpunkte für den Primärstrom. Im Steuergerät R kann eine relative zeitliche Verzögerung T 2 für den SchaltZeitpunkt der steuerbaren Ventile V 1 und V 2 gegenüber dem UmschaltZeitpunkt auf der Primärseite eingestellt werden. Wie erwähnt, ist das Verhältnis der Zeit- > verzögerung T 2 air Schaltperiode T auf der Primärseite ein Maß
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ρ* ■■" r ■' -"-" -■■■ ■■ !! ■ ■ ■■ ■ '■"■- -
für die Veränderung des Übersetzungsverhältnisses. Vorteilhafterweise wird zur Steuerung der primärseitigen Schaltvorgänge ein fest eingestellter, astabiler Multivibrator F ver?- wendeNi, dessen Schaltzustand an das Steuergerät R gemeltet wird.
Die Wirkungsweise der Anordnung ist aus den Figuren' 2 a bis 2 f ersichtlich. Für den Fall, daß auf der Sekundärseite die beiden steuerbaren Ventile V 1 und V 2 stets leitend sind, gilt:
U w 1 · ü.
E w2+w2' "
Für den Fall, daß die beiden Ventile V 1 und V 2 gesperrt sind, gilt:
Bei den Betrachtungen ist es zweckmäßig, davon auszugehen, daß die Spannung E auf der Sekundärseite konstant sein soll, z. B. durch eine nicht dargestellte Pufferbatterie. Die Umschaltvorgänge der steuerbaren Ventile V1, V2 haben nun Rückwirkungen auf die Primärseite, so daß die hier auftretenden Vorgänge betrachtet ' werden können. Als Umschaltzeitpunkte für die steuerbaren Ventile V 1 und V 2 sind die Zeitpunkte t bis t, angenomxaen,
t bis t„| i V 1 + V 2 sperren; sekundär: E; primär u
tu bis t ; V 1 leitend j sekundär: S, primär u » £*\i*
tp bie t»i V 1 + V 2 sperren; sekundär: ώ, primär u a E»ü~
t, bis ; V 2 leitend; sekundär: E, primär u - ü'ü^
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Der Zeitraum von t bis t2 entspricht der Zeitdauer T der Umschaltfrequenz auf der Primärseite des Übertragers. Die Zeitdauer tQ bis t^ stellt die Schaltverzögerung T 2 für die steuerbaren Ventile V 1 bzw. V2 auf der Sekundärseite dar. Je nach der Größe der einstellbaren Zündverzögerung T 2 kann für die Spannung u jeder beliebige Mittelwert im Bereich
U1 . E < U < U2 . E
eingestellt werden/ Die auf der Primärseite vorgesehene Drossel D dient dazu, Stromspitzen zu vermeiden und einen kontinuierlichen Energiefluß zu erzwingen.
In der Fig. 2 a ist die primärseitige Spannung u in Abhängigkeit vom Schaltzustand der Ventile V 1 und V 2 dargestellt.
In Figur 2 b ist die an der Drossel liegende Spannung uD U - .u dargestellt.
Die Figur 2 c zeigt den Strom i^ durch die Drossel.
Mit Δ i ist die Amplitude der Stromschwankungen um den Mittelwert I ■ Itj bezeichnet.
In der Figur 2 d ist ausgezogen der Strom I11 während der ersten Schaltperiode und gestrichelt der Strom I12 während der zweiten Schaltperiode eingezeichnet.
Die Fig. 2 e zeigt den sekundärseitigen Stromverlauf für den Strom i2, der über die Gleichrichterschaltung G dem Verbraucher zugeführt wird. Entsprechend den Umschaltvorgängen durch die steuerbaren Ventile V t und V 2 schwankt der Strom im Zeitraum von t bis t1 zwischen
(I+^i) ♦ U2 und (I - £ Δi) . U2
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Die Schwankung im anschließenden Zeitraum von t^ bis tp ist von
(I - \ Zli) · U1 bis (!+J Δ±)
Die Figur 2 f schließlich zeigt den durch die steuer baren Ventile V 1 bzw. V 2 fließenden 3ekundärstrom ip'· tritt nur im Zeitraum zwischen t und t2 bzw. nach t, auf. Seine Schwankung verläuft von ·
(I - \ A1L) . U1 bis (I + £ Δί) · U1
In die Fig. 3 ist eine Abwandlung des Übertragers gemäß Fig. 1 dargestellt. Hier weist auch die Sekundärseite des Transformators Tr eine Mittelanzapfung auf. Dort ist die eine Ader b der Versorgungsleitung zum Verbraucher B angeschlossen. Über* die beiden symmetrisch liegenden Teilwicklungen w 2 wird über die beiden Gleichrichter G 1 und G 2 die andere Ader a der Versorgungsleitung zum Verbraucher B gespeist. Anschließend an diese Wicklungen w 2 sind noch zusätzliche Wicklungen w 21 vorgesehen. Von ihren freien Enden führen wiederum Anschlüsse- zur Ader a der Versorgungsleitung. In diese Anschlüsse sind je eines der beiden steuerbaren Ventile V 1 bzw. V 2 eingeschaltet. Die Y/irkungsweise ist dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechend. Die steuerbaren Ventile V 1 und V 2 erhalten wieder ihre Schaltverzögerung gegenüber dem Umschaltezeitpunkt auf der Primärseite durch das Steuergerät ß.
Auch die Art und Weise, in der die Verzögerungszeit bzw. das Übersetzungsverhältnis verändert werden kann, ist hier in Fig. 3 leicht verändert. Die prinzipielle Wirkungsweise der Anordnung ändert sich dadurch nicht. Hier ist angenommen, daß im
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Steuergerät R eine Veraögerungszeit T 2 fest eingestellt ist und daß die Veränderung des Übersetzungsverhältnisses durch Änderung der Steuerfrequenz f, d.h. durch Änderung der Umschaltperioden T, auf der Primärseite erreicht wird.
Die beiden unterschiedlichen Methoden zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses sind für den in Fig. 1 beschriebenen Fall in den Fig. 4 a und 4 b graphisch dargestellt. Es ist ersichtlich, daß die Periodendauer T von einem primärseitigen Umschaltzeitpunkt zum nächsten UmschaltZeitpunkt konstant bleibt, daß aber die Verzögerungszeit auf der Sekundärseite von Ϊ 2 nach I 21 veränderbar ist.
Die Fig. 5 a und 5 b zeigen die Verhältnisse bei der Methode gemäß Fig.* 5. Ks ist ersichtlich, daß hier die Zündverzögerung T 2 konstant gehalten wird und durch Änderung der primärseitigen Steuerfrequenz f die Periodendauer T auf der Primärseite des Übertragers in T' veränderbar ist.
Beide Methoden sind je nach Bedarf anwendbar. Der Vorteil der erstgenannten und in Fig. 4 erläuterten Methode liegt u.a. darin, daß die Schaltfrequenz konstant gehalten werden kann. Infolgedessen ist auch der unter Umständen doch zu erwartende r wenn auch geringe Oberwellengehalt ebenfalls konstant und kann von vornherein berücksichtigt werden.
Der Primärteil des Übertragers kann selbstverständlich nach herkömmlicher Art auch selbstschwingend ausgeführt werden. In diesem Fall wird der auf der Primärseite sich selbsttätig einstellende ümschaltZeitpunkt dem Steuergerät gemeldet, über das dann wieder die willkürliche Verzögerung für das üinschalten der steuerbaren Ventile auf der Sekundärseite des Übertragers erfolgt.
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Claims (1)

  1. S 85 **
    Patentansprüche :
    1. GleichstromUbertrager mit variablem übersetzungsverhältnis, bestellend aus einem Transformator, dessen Primärwicklung abwechselnd von Gleichstrom in der einen und in der anderen Richtung durchflössen wird und auf dessen Sekundärseite eine Gleichrichtung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß an die Sekundärwicklung (w 2) des Transformators noch wenigstens eine zusätzliche Wicklung (w 2') angeschlossen und in die vom Wicklungsende turn Verbraucher führenden Leitungen (at b) Je ein steuerbares Ventil (V 1, V 2) eingesetat ist, wobei der EinschaltZeitpunkt der steuerbaren Ventile gegenüber dem Umschaltseltpunkt des Primärstromes zur Steuerung des Übersetzungsverhältnisses einstellbar ist.
    2. Gleichstromübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der SchaltZeitpunkt der steuerbaren Ventile (V 1, V 2) gegenüber dem SchaltZeitpunkt der den Primärstrom umschaltenden Schalter (S 1, S 2) eine einstellbare Verzögerung (T 2) aufweist.
    J. Gleichstromübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitverzögerung (T2) bis zum Einschalten der steuerbaren Ventile (V 1, V 2) konstant und die üchalt-Frequenz (f) ayf der Primärseite variabel ist.
    4. Gleichstromübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine einseitige Zusatzwicklung (w 2') zur Sekundärwicklung (w 2) von der zwei entgegengesetzt gepolte steuerbare Ventile (V 1, V 2) zu den von der Gleichrichterschaltung (G) versorgten Verbraucheranschlüssen (a, b) führen.
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    5. Gleichstromübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung (w 2) eine Mittelanzapfung für den einen Verbraucheranschluß (b) und an jedem ihrer Enden eine Zusatzwicklung iw 21) aufweist, von deren Enden wiederum je ein steuerbares Ventil (V 1, V 2) und von deren gemeinsamen Anschluß mit der Sekundärwicklung (w 2) je ein nicht steuerbares Ventil (G1, G2) zum anderen Verbraucheranschluß (a) führt.
    6. Gleichstromübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 5» gekenn zeichnet durch, die Verwendung von Thyristoren als steuerbare Ventile (VI, /2).
    7. Gleichstromübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Verwendung elektronischer Schalter zur primärseitigen Umschaltung des Gleichstromes.
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