DE19702042A1 - Spannungswandelnde Schaltungsanordnung zur Energieversorgung eines elektrischen Verbrauchers hoher Leistung, insbesondere einer Spulmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Wandlung unterschiedlicher Stromnetzspannungen in eine vom jeweiligen Nennspannungswert unabhängige Versorgungsspannung für einen elektrischen Verbraucher hoher Leistung, insbeson­ dere für eine Spulmaschine.

Spulmaschinen heutiger Bauart arbeiten typischerweise mit ei­ ner Versorgungsgleichspannung von ca. 260 V bei einem Lei­ stungsbedarf zwischen 20 kW und 40 kW. Um eine solche Versor­ gung aus den auf der Welt üblichen Stromnetz-Nennspannungen, die bei Frequenzen von ca. 50 Hz bis 60 Hz zwischen etwa 180 V und 600 V variieren, zu erreichen, wird für die Spulmaschine herkömmlicherweise ein Thyristorgleichrichter mit annäherend dreißig verschiedenen vorgeschalteten Transformatorvarianten eingesetzt. Außer der Spannungsanpassung muß der jeweilige Transformator die erforderliche galvanische Trennung zwischen der Stromnetzspannung und der Maschinenspannung sicherstel­ len. Diese konventionelle Spulmaschinen-Stromversorgung er­ fordert nicht nur einen relativ hohen technischen Aufwand aufgrund der hohen Zahl unterschiedlicher Transformatorvari­ anten zur Abdeckung der verschiedenen Weltnetzspannungen, sie besitzt auch nur eine mäßige Ausgangsstabilität infolge gro­ ßer Regelzeitkonstanten sowie einen relativ geringen Wir­ kungsgrad und ein hohes Gewicht bei großem Platzbedarf.

Zur Energieversorgung elektrischer Verbraucher mit zu demje­ nigen der oben genannten Spulmaschinen vergleichsweise nied­ rigem Leistungsbedarf von höchstens bis etwa 10 kW ist die Verwendung spannungswandelnder Schaltungsanordnungen in Form sogenannter Schaltnetzteile bekannt. Speziell werden für et­ was größere Leistungen Schaltnetzteile vom Gegentaktwandler­ typ mit einer Vollbrückenwandlerstufe eingesetzt, die vier von einer Regelungsstufe angesteuerte Transistorleistungs­ schalter enthält.

Unter anderem wegen der begrenzten maximalen Belastbarkeit der verwendeten Bauelemente, ist es nicht möglich, derartige Schaltnetzteile vergleichsweise niedriger Leistung lediglich durch höhere Dimensionierung der einzelnen Bauelemente in Schaltnetzteile zu modifizieren, die mit der gleichen Funkti­ onsweise höhere Leistungen übertragen können. Vielmehr sind hierfür zusätzliche spezielle Maßnahmen erforderlich, wenn eine den technischen Aufwand vergrößernde Parallelschaltung mehrerer gleichartiger Schaltnetzteile vermieden werden soll. Eine solche Maßnahme bildet das sogenannte Nullspannungs­ schalten der Leistungsschalter mit pulsweitenmodulierter An­ steuerung, wie es in dem Aufsatz von N.H. Kutkut et al., An Improved Full-Bride Zero-Voltage Switching PWM Converter Using a Two-Inductor Rectifier, IEEE Transactions on Industry Applications, Band 31, Nr. 1, Januar/Februar 1995, Seite 119 für Schaltnetzteile bis zu einer Leistung von 10 kW beschrie­ ben wird. Ein Schaltnetzteil ähnlicher Funktionsweise mit ei­ ner Ausgangsleistung von 500 W ist im Datenbuch 1994 der Firma Unitrode unter der Anwendungsbezeichnung U-136 beschrieben.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstel­ lung einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu­ grunde, mit der mit vergleichsweise geringem technischen Auf­ wand ein elektrischer Verbraucher mit hohem Leistungsbedarf von 20 kW und mehr, insbesondere eine Spulmaschine, ohne wei­ tere Anpassungsmaßnahmen von unterschiedlichen Stromnetzspan­ nungen mit einer erforderlichen Versorgungsspannung gespeist werden kann.

Dieses Problem wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Es hat sich gezeigt, daß es durch den bei dieser Schaltungsanordnung gewählten Schal­ tungsaufbau aus einer Gleichrichterstufe, vorzugsweise einer Brückengleichrichterstufe, einer Wandlerstufe, vorzugsweise einer Vollbrückenwandlerstufe, einer Regelungsstufe und einem Hochleistungsübertrager mit angeschlossener Sekundärkreisstu­ fe in Verbindung mit der von der Regelungsstufe bereitge­ stellten, speziellen Ansteuerung der in der Wandlerstufe vor­ gesehenen Leistungsschalter möglich ist, die beispielsweise zum Betrieb von Spulmaschinen erforderliche Leistung von 20 kW und mehr mit einer bestimmten, ausreichend konstanten Versor­ gungsspannung aus Stromnetzen mit unterschiedlichen Nennspan­ nungen bereitzustellen. Bemerkenswerterweise ist es durch die spezielle Art der Ansteuerung der Wandlerstufe möglich, diese hohe Leistung über die Leistungsschalter zu übertragen, ohne daß aufwendige Kühlungsmaßnahmen erforderlich sind oder meh­ rere parallele Wandlerstufen eingesetzt werden müssen. Dazu trägt insbesondere bei, daß die Ansteuerung der Leistungs­ schalter im Phasenverschiebungsbetrieb mit Nullspannungs­ schalten erfolgt und wenigstens die Pulsweite der von der Wandlerstufe erzeugten, rechteckförmigen Wechselspannung zur Einregelung der gewünschten Versorgungsspannung variabel ein­ gestellt wird.

In Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 wird zusätz­ lich die Frequenz dieser Wechselspannung variabel derart ein­ gestellt, daß die parasitären Kapazitäten der Leistungsschal­ ter jeweils von einer ausreichend in die Streuinduktivität des Hochleistungsübertragers eingespeicherten Energiemenge umgeladen werden können. Dazu wird die Stromstärke im Über­ tragerprimärkreis jeweils so groß wie möglich eingestellt, ohne andererseits den Übertrager zu überlasten.

Eine Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 realisiert eine kostenoptimierte Auslegung der Schaltungsanordnung, in­ dem der Hochleistungsübertrager auf eine minimale primäre Zwischenkreisspannung für eine vorgegebene Nennleistung bei vorgegebener Nennschaltfrequenz ausgelegt ist.

In einer nach Anspruch 4 weitergebildeten Schaltungsanordnung wird der Hochleistungsübertrager symmetrisch angesteuert, was den Einsatz eines geeigneten Hochleistungsübertragers im ge­ forderten Leistungsbereich erleichtert, indem dessen Magnet­ material entlang des positiven und negativen Bereiches der Magnetisierungskennlinie symmetrisch ausgesteuert wird.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Wandlung unterschiedlicher Stromnetzspannungen in eine von der jeweiligen Nennspannung unabhängige Versorgungsspannung für eine Spulmaschine und

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild eines in einer Vollbrückenwand­ lerstufe der Schaltungsanordnung von Fig. 1 verwen­ deten IGBT-Leistungsschalters und der Primärwicklung eines in der Schaltungsanordnung von Fig. 1 verwen­ deten Hochleistungsübertragers.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung beinhaltet eingangsseitig eine Brückengleichrichterstufe (1) üblichen, hier nicht näher zu beschreibenden Aufbaus, die eine ein­ gangsseitig anstehende Stromnetzspannung (U_E) in eine primäre Zwischenkreisgleichspannung (U_Z) gleichrichtet, die von einem Kondensator (C₁) stabilisiert wird. Dabei kann die eingangs­ seitig anliegende Stromnetzspannung (U_E) einen beliebigen der weltweit gebräuchlichen Nennspannungswerte zwischen etwa 180 V und etwa 660 V besitzen. Die durch Gleichrichtung und Siebung der Stromnetzspannung (U_E) von der Brückengleichrichterstufe (1) erzeugte primäre Zwischenkreisgleichspannung (U_Z) nimmt je nach Systemauslegung Werte zwischen etwa 300 V und etwa 1000 V an. Die primäre Zwischenkreisgleichspannung (U_Z) wird von einer Vollbrückenwandlerstufe (2) mit vier ansteuerbaren Transistorleistungsschaltern vom sogenannten IGBT-Typ in eine rechteckförmige Wechselspannung (U_T) gewandelt, welche die Übertragerprimärkreisspannung eines anschließenden Hochlei­ stungsübertragers (3) darstellt. Als Hochleistungsübertrager (3) für den hier relevanten Leistungsbereich von 20 kW und mehr ist beispielsweise einer der von der Firma Vakuumschmel­ ze GmbH unter den Marken Vitroperm und Vitrovac vertriebenen Übertragertypen verwendbar. Während die Primärwicklung (3a) des Hochleistungsübertragers (3) im Ausgangsstromkreis der Vollbrückenwandlerstufe (2) liegt, schließt sich an dessen Sekundärwicklung (3b) als ein sekundärer Zwischenkreis in üb­ licher Weise eine Gleichrichterstufe (4), eine Glättungsin­ duktivität (L) und ein Kondensator (C₂) an, an welchem die sekundäre Zwischenkreisgleichspannung (U_B) als Versorgungs­ spannung für die nicht weiter gezeigte Spulmaschine mit einer zugehörigen Sekundärkreis-Stromstärke (I_B) abgegriffen werden kann, wobei diese Versorgungsspannung (U_B) den verschiedenen elektrischen Verbrauchern der Spulmaschine, wie Sensoren, Ak­ toren, Steuerungselektronik, Schrittmotore und elektrisch kommutierte Gleichspannungsmotore, in jeweils geeignet wei­ terverarbeiteter Weise zugeführt wird.

Typischerweise wird für Spulmaschinen eine sekundäre Zwi­ schenkreisgleichspannung (U_B) in der Größenordnung zwischen 250 V und 280 V benötigt. Um diese Versorgungsspannung unabhän­ gig von der jeweils eingangsseitig anliegenden Nennspannung (U_B) des speisenden Stromnetzes bereitzustellen, werden die vier IGBT-Leistungsschalter der Vollbrückenwandlerstufe (2) in einer speziellen Weise von einer zugeordneten Regelungs­ stufe (5) in Abhängigkeit von der primären Zwischenkreis­ gleichspannung (U_Z), der Übertragerprimärkreis-Stromstärke (I_T) sowie der Versorgungsspannung (U_B) und der zugehörigen Stromstärke (I_B) so angesteuert, daß die Ausgangsspannung der Vollbrückenwandlerstufe (2), d. h. die Übertragerprimär­ kreisspannung (U_T), in ihrer Frequenz und Pulsweite geeignet eingeregelt wird. Dazu erfolgt die Ansteuerung der Vollbrückenwandlerstufe (2) durch die Regelungsstufe (5) im Phasen­ verschiebungsbetrieb derart, daß ein spannungsloses Ein- und Ausschalten der Transistorleistungsschalter gewährleistet wird. Der Phasenverschiebungsbetrieb bewirkt, daß die parasi­ tären Kapazitäten der Transistorleistungsschalter durch die in der Streuinduktivität des Hochleistungsübertragers (3) ge­ speicherte Energie umgeladen werden. Diese in der Streuinduk­ tivität des Übertragers (3) gespeicherte Energie hängt von der Übertragerprimärkreis-Stromstärke (I_T) ab, und die zur Umladung minimal benötigte Energie ist durch den Wert der je­ weiligen parasitären Leistungsschalterkapazität determiniert.

Diese Umladung läßt sich anschaulich anhand des Ersatzschalt­ bildes von Fig. 2 verstehen. Der dort stellvertretend für al­ le vier Leistungsschalter gezeigte IGBT-Leistungsschalter (6) beinhaltet bauartbedingt parallel zu seiner Schaltstrecke ei­ ne parasitäre Kapazität (6a) sowie eine Diode (6b). Zusammen mit der seriell zur Schaltstrecke des jeweiligen Transistor­ leistungsschalters (6) liegenden Übertragerstreuinduktivität der Übertragerprimärwicklung (3a) bildet sich ein Schwing­ kreis, der von der Pulsweitenmodulation der Regelung durch eine definierte Phasenlage der Einschaltdauern der IGBT-Leistungsschalter so benutzt wird, daß die Leistungsschalter spannungslos schalten.

Der Hochleistungsübertrager (3) ist nun vorzugsweise ko­ stenoptimiert auf eine minimale primäre Zwischenkreisspannung (U_Z) für Nennleistung der Schaltungsanordnung bei Nennschalt­ frequenz ausgelegt. Typische Nennschaltfrequenzen liegen bei­ spielsweise im Bereich von bis zu 50 kHz. Um unter dieser Vor­ aussetzung für einen möglichst großen Eingangsspannungsbe­ reich und Ausgangsleistungsbereich Nullspannungsschalten der Leistungsschalter zu ermöglichen, führt die Regelungsstufe (5) die Regelung dergestalt durch, daß die in die Streuinduk­ tivität des Hochleistungsübertragers (3) eingespeicherte Energie ausreicht, um die kapazitären Leistungsschalterkapa­ zitäten umzuladen. Dazu variiert sie die Schaltfrequenz in Abhängigkeit von der primären Zwischenkreisgleichspannung (U_Z) und der geforderten Ausgangsleistung so, daß die Über­ tragerprimärkreis-Stromstärke (I_T) maximale Werte annimmt, ohne den Übertrager (3) zu überlasten. Gleichzeitig stellt die Regelungsstufe (5) die Pulsweite der Übertragerprimär­ kreisspannung (U_T) variabel so ein, daß die sekundäre Zwi­ schenkreisgleichspannung (U_B) auf den gewünschten Wert einge­ regelt wird. In einer vereinfachten Variante kann die Rege­ lungsstufe so ausgelegt sein, daß sie nur die variable Ein­ stellung der Pulsweite ohne gleichzeitige Variation der Fre­ quenz vornimmt.

Der Hochleistungsübertrager sollte, z. B. wenn einer der er­ wähnten, unter den Marken Vitroperm und Vitrovac vertriebenen Übertragertypen eingesetzt wird, so betrieben werden, daß sein Magnetmaterial entlang des positiven und negativen Be­ reiches der Magnetisierungskennlinie symmetrisch ausgesteuert wird. Dies wird durch die von der Regelungsstufe (5) bewerk­ stelligten Regelung durch passende Wahl der Einschaltdauern der einzelnen Leistungsschalter erreicht. Dabei dient die Übertragerprimärkreis-Stromstärke (I_T) als Stellgröße, und die Regelungsstufe (5) regelt die Differenz der Mittelwerte der positiven bzw. negativen Signalanteile der Übertragerpri­ märkreis-Stromstärke (I_T) zu null aus.

Beim Einsatz der beschriebenen Schaltungsanordnung für die Energieversorgung einer Spulmaschine oder alternativ auch ei­ nes anderen Verbrauchers entsprechend hoher Leistung von bis zu etwa 40 kW ergeben sich beträchtliche Vorteile. Durch den Einsatz verlustarmer, nullspannungsschaltender IGBT-Lei­ stungsschalter in der Vollbrückenwandlerstufe und eines ge­ eigneten Hochleistungsübertragers läßt sich ein Wirkungsgrad der Schaltungsanordnung größer als 0,9 erreichen. Unabhängig von verschiedenen Nennspannungen und Spannungsschwankungen des jeweils speisenden Stromnetzes wird die Stromnetzspannung mittels Frequenz- und Pulsweitenmodulation mit hoher Aus­ gangsspannungskonstanz in die gewünschte sekundäre Zwischen­ kreisgleichspannung umgesetzt. Im Vergleich zu konventionel­ len Thyristor-Lösungen in 50 Hz/60 Hz-Technologie im entspre­ chenden Leistungsbereich ergibt sich eine deutliche Reduzie­ rung des Platzbedarfs und des Gewichtes. So kann die gesamte Schaltungsanordnung von Fig. 1 mit einem typischen Gewicht zwischen ca. 30 kg und 50 kg realisiert werden. Der Bauelement­ aufwand ist durch die spezielle Ansteuerung der Vollbrücken­ wandlerstufe vergleichsweise gering, insbesondere ist auf­ grund der Sättigungsspannung der IGBT von ungefähr 2 V bis 3 V nur eine geringe Kühlung notwendig. Des weiteren werden auch nicht mehr als vier Leistungsschalter benötigt. Der Übertra­ ger gewährleistet die geforderte, sichere Potentialtrennung zwischen Stromnetz und sekundärem Zwischenkreis.

Claims (4)

1. Schaltungsanordnung zur Wandlung unterschiedlicher Stromnetz-Nennspannungen in eine vom jeweiligen Stromnetz-Nennspannungswert unabhängige Versorgungsspannung für einen elektrischen Verbraucher hoher Leistung, insbesondere für ei­ ne Spulmaschine, gekennzeichnet durch folgende Elemente:

• - eine Gleichrichterstufe (1) zur Erzeugung einer primären Zwischenkreisgleichspannung (U_Z) zwischen etwa 300 V und etwa 1000 V mittels Gleichrichtung und Siebung der jeweili­ gen Stromnetzspannung mit Nennspannungswerten zwischen et­ wa 180 V und etwa 600 V,
• - eine Wandlerstufe (2) mit ansteuerbaren Leistungsschaltern zur Wandlung der primären Zwischenkreisgleichspannung (U_Z) in eine rechteckförmige Wechselspannung (U_T),
• - einen Hochleistungsübertrager (3) mit angeschlossenem se­ kundärem Zwischenkreis zur Transformation der rechteckför­ migen Wechselspannung (U_T) in die Versorgungsspannung (U_B) und
• - eine Regelungsstufe (5), welche die Leistungsschalter in Abhängigkeit von der primären Zwischenkreisgleichspannung (U_Z), der Stromstärke (I_T) im Primärkreis des Hochlei­ stungsübertragers sowie der Spannung (U_B) und der Strom­ stärke (I_B) im sekundären Zwischenkreis im Phasenverschie­ bungsbetrieb spannungslos schaltend wenigstens mit zur Er­ zielung der erforderlichen Versorgungsspannung (U_B) varia­ bler Pulsweite der rechteckförmigen Wechselspannung (U_T) ansteuert.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Regelungsstufe (5) die Leistungsschal­ ter zum einen mit variabler Frequenz zur Einstellung einer Übertragerprimärkreis-Stromstärke (I_T), die zur Speicherung der zur Umladung der parasitären Leistungsschalterkapazitäten benötigten Energie in der Streuinduktivität des Hochlei­ stungsübertragers ausreicht, und zum anderen mit zur Erzie­ lung der erforderlichen Versorgungsspannung (U_B) variabler Pulsweite der rechteckförmigen Wechselspannung (U_T) ansteu­ ert.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, weiter da­ durch gekennzeichnet, daß der Hochleistungsübertrager (3) auf eine minimale primäre Zwischenkreisgleichspannung (U_Z) für eine vorgegebene Nennleistung bei vorgegebener Nennschaltfre­ quenz ausgelegt ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Regelungsstufe (5) die IGBT-Leistungsschalter derart ansteuert, daß die Differenz der Mittelwerte der positiven bzw. negativen Signalanteile der Übertragerprimärkreis-Stromstärke (I_T) zu null ausgere­ gelt wird.