DE2226546A1

DE2226546A1 - METHOD FOR GENERATING A DC VOLTAGE WITH LOW BUMPER NOISE FROM AN AC VOLTAGE AND DEVICE FOR CARRYING OUT THE METHOD

Info

Publication number: DE2226546A1
Application number: DE2226546A
Authority: DE
Inventors: Alwin V Newton
Original assignee: Borg Warner Corp
Current assignee: Borg Warner Corp
Priority date: 1971-06-28
Filing date: 1972-05-31
Publication date: 1973-01-11
Also published as: JPS4815036A; AU4285172A; FR2143836A1; FR2143836B1; IT956711B

Description

VerfahrensProcedure

Die Erfindung betrifft.ein Verfahren zur Erzeugung einer.Gleichspannung mit geringer Brummstörung aus einer Wechselspannung und
eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens! die vorliegende \ Erfindung befaßt sich insbesondere mit der Erzeugung einer Gleichspannung mit geringer Brummstörung aus einer hohen Wechselspannung für die Erregung eines Wechselrichters zur Erregung üblicher Wech-j selspannungsausr ü s tungen«The invention relates to a method for generating a DC voltage with low hum from an AC voltage and
a device for carrying out the process! the present \ invention is particularly concerned with the generation of a DC voltage with low ripple interference from a high alternating voltage for the excitation of a conventional inverter for energizing Wech selspannungsausr j u s obligations "

Bei der Durchführung des erfindungsgemäBen Verfahrens zur Erzeugung einer Gleichspannung mit geringer Br'amtnstorung aus einer Weeh selspannung mit Hilfe eines relativ kleinen Filters werden die fol·When carrying out the method according to the invention for generating a direct voltage with low Br'amtnstorung from a woe With the help of a relatively small filter, the following

.... 209887/0617 "_£_! .... 209887/0617 "_ £ _!

senden Schritte durchgeführt:send steps done:

1. Die Wechselspannung wird zu einer ganzwelligen pulsierenden Gleichspannung gleichgerichtet,1. The alternating voltage is rectified to a full-wave pulsating direct voltage,

2. Die Gleichspannung wird mit einer Frequenz zerhackt, die -wesentf lieh oberhalb.der Versorgungsfrequenz liegt, um eine mittlere |2. The DC voltage is chopped at a frequency that -dentf borrowed above the supply frequency to a mean |

Spannung im Bereich eines kleinen Teiles der Eingangs-spitzen- ιTension in the area of a small part of the input tip

Spannung bereitzustellen, " iProvide voltage, "i

3. Die so erhaltene Spannung wird in einem kleinen Filter gefiltert,3. The voltage obtained in this way is filtered in a small filter,

j um eine Ausgangsgleichspannung mit kleinem Brummfaktor zu erzeufj to generate a DC output voltage with a low ripple factor

I Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist gekennzeichnet durch einen mit dem Wechselspannungseingang ver bundenen Vollweggleichrichter _ und einen mit dem Vollweggleiehrichter verbundenen und dessen Ausgangsspannung aufnehmenden Zerhacker , der zur Erzeugung einer Ausgangsgleichspannung mit geringer Brummstörung jede Welle bei einer relativ hohen Frequenz zerhackt.I The device according to the invention for carrying out the method is characterized by a full-wave rectifier connected to the AC voltage input and one to the full-wave rectifier connected and its output voltage absorbing chopper, which is used to generate a DC output voltage with low Hum interference chopped up any wave at a relatively high frequency.

Die Erfindung soll nun anhand der beigefügten Figuren in einer Ausführungsform beschrieben werden. Von den Figuren zeigen^The invention will now be described in one embodiment with reference to the accompanying figures. From the figures show ^

Fig. 1 ein Blockdiagramm zur Darstellung einer bevorzugten Ausführungs- und einer bevorzugten Benutzungsform un1 shows a block diagram to illustrate a preferred embodiment and a preferred form of use

Fig. 2-6 eine Reihe von Wellenformen zur Darstellung der gemäß der vorliegenden Erfindung vorgenommene» Ytrfah- 2-6 are a series of waveforms illustrating the " Ytrfah-

rensschritte und zur Darstellung der Auagangaapannun-209882/0617 steps and for the representation of the Auagangaapannun-209882/0617

s ORIGINAL INSPECTED ** s ORIGINAL INSPECTED **

j gen der verschiedenen Komponenten der Fig. -1.j gen the various components of Fig. -1.

In der Fig. 1 ist ein Eisenbahnwagen 10 gezeigt, der seine-primäre!In Fig. 1, a railroad car 10 is shown, its-primary!

Antriebsenergie über die Leitungen 12 von einer Hochwechselspannungs· quelle 14'bezieht, die in diesem Falle als ein hochtransformierender Transformator dargestellt ist, der die an den Leitungen 16 anliegende niedrige Eingangsspannung hochtransformiert. Ein Vollweg-Drive energy via the lines 12 from a high alternating voltage source 14 ', which in this case as a high-transforming Transformer is shown, which steps up the low input voltage applied to lines 16. A full way

jLei-chrichter 18 der üblichen Brücken-Bauart liegt zwischen den Leif tungen 12 und seine Ausgangsleitungen 20 sind mit einem Zerhacker jjLei-chrichter 18 of the usual bridge design lies between the Leif lines 12 and its output lines 20 are with a chopper j

22 verbunden, zu dem ein Steuerteil 22a gehört. Ein geeigneter |22 connected to which a control part 22a belongs. A suitable |

Zerhacker-Kreis ist in dem Westinghouse SCR Konstrukteur-Handbuch,j zweite Auflage, Seiten 8-33 und 8-34 beschrieben. Die Ausgangsspannung 22 wird einem kleinen Filter 24 zugeführt, der in diesem Falle als einfacher L-C-Filter dargestellt ist, der aus einem einzigen Kondensator 25 und einer Induktivität 28 besteht, wobei der Kondensator über die Ausgangsleitungen des Zerhackers gelegt ist und die Induktivität in Reihe mit einem der Ausgangsleiter geschaltet ist.Chopper Circle is in the Westinghouse SCR Designer's Handbook, j second edition, pages 8-33 and 8-34. The output voltage 22 is fed to a small filter 24, which in this case is shown as a simple L-C filter consisting of a single There is capacitor 25 and an inductance 28, the capacitor being placed across the output lines of the chopper and the inductor is connected in series with one of the output conductors is.

Die auf den Ausgangsleitungen, 26 des Filters anliegende Spannung wird einem Wechselrichter 28 zugeführt und durch den Steuerteil 22a des Zerhackers abgegriffen.The voltage present on the output lines, 26 of the filter is fed to an inverter 28 and tapped by the control part 22a of the chopper.

Ein geeigneter Wechselrichter 28 wird in der schwebenden US-Patent■ anmeldung.mit dem Titel:"Erregungssystem mit einem digitalen Steuer kreis zur Regulierung eines mehrphasigen Wechselrichters" beschrieben und gezeigt. Diese Anmeldung -mit der Seriennummer 22 283 wurde! am 24. März I970 im Harnen von K.E. Opal angemeldet und auf die :A suitable inverter 28 is described in the pending US patent ■ registration. with the title: "Excitation system with a digital control circuit for regulating a polyphase inverter " and shown. This application - with the serial number 22 283 was! on March 24, 1970 in the Urnen by K.E. Opal registered and on the:

2098 82/0617 ._ - A -.._ :2098 82/0617 ._ - A -.._:

GRSGtNAL INSPECTEDGRSGtNAL INSPECTED

Anmelderin der vorliegenden Erfindung übertragen.Assigned to the assignee of the present invention.

Der besondere Wechselrichter 2-G erzeugt eine dreiphasige Ausgangsspannung, die einer üblichen und das Bez.ugszeichen j50 tragenden Klimaanlage zugeführt wird. Eine solche. Klimaanlage wird z.B. in d.em York Handbuch Y7O-369O für Klimatechnik und Kühlung beschrie- jThe special 2-G inverter generates a three-phase output voltage, which is fed to a conventional air conditioning system bearing the reference symbol j50. Such. Air conditioning is used e.g. in d.em York manual Y7O-369O for air conditioning and cooling described j

I ben. jI ben. j

ί iί i

! ■ · j! ■ · j

j · jjj

iDie Betriebsweise der in der Fig. 1 gezeigten Vorrichtung kann am ; !besten unter Bezugnahme auf die Pig. 2-6 beschrieben werden, wo-, ; bei die in den Fig. gezeigten Kurven in ihrem Zeitablauf(T-Achse) : übereinstimmen, um die zeitlichen Beziehungen zwischen den KurvenThe mode of operation of the device shown in FIG. 1 can be carried out on; ! best by referring to the Pig. 2-6 are described where-, ; with the curves shown in the figures in their time sequence (T-axis) : agree to the temporal relationships between the curves

I ' iI 'i

!besser aufzuzeigen. Die in der Fig. 2 dargestellte Kurve zeigt die'better to show. The curve shown in Fig. 2 shows the '

! niedrige Wechseleingarigsspannung, die an den Leitungen 16 anliegt;! low AC voltage applied to lines 16;

und die in der Fig. 3 gezeigte Kurve stellt die verstärkte Ausgang, wechselspannung dar, die an den Ausgangsleitungen 12 des hochtrans formierenden Transformators 14 anliegt. Die Spitzenspannung ist in der Kurve gemäß Fig. 3 durch die Strecke "P" dargestellt. Die Kurvfe •jemä.3 Fig. 4 stellt die gleichgerichtete Ausgangs spannung dar, die über den Ausgangsleitungen des Vollweggleichrichters lS abgegriffenand the curve shown in Fig. 3 represents the amplified output, AC voltage that is applied to the output lines 12 of the high-trans transforming transformer 14 is applied. The peak voltage is shown in the curve according to FIG. 3 by the segment "P". The curve • jemä.3 Fig. 4 shows the rectified output voltage, the tapped via the output lines of the full-wave rectifier IS

werden kann, wobei die Spitzenspannung "P" jeder Halbwelle der '■ Spitzenspannung "P" der in der Fig. j5 gezeigten Wellenform ent- ^! spricht. Ein niedrigerer Wert "A" (10 - 20 ^c/o) wird als mittlere Ausgangsspannung des Zerhackers gewählt und der Zerhacker 22 er- j zeugt eine Ausgangs spannung mit der in der Fig. 5 gezeigten Wellenform. Diese Ausgangsspannung liegt an den Ausgangsleitern 2j an , und wird dem kleinen Filter 24 zugeführt. Die Ausgangsspannung ;can be wherein the peak voltage "P" contains each half wave of the '■ peak voltage "P" of the waveform shown in Fig. ^j5! speaks. A lower value "A" (10-20 ^c / o) is selected as the average output voltage of the chopper and the chopper 22 generates an output voltage with the waveform shown in FIG. This output voltage is applied to the output conductors 2j and is fed to the small filter 24. The output voltage;

209882/0617 " ⁵ " i209882/0617 " ⁵ " i

ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED

Ides Filters 24 wird in der Fig. β gezeigt, aus der ersichtlich !ist, daß die mittlere Amplitude der Ausgangsgleichspannung angenähert dem Spannungspegel "A" entspricht.The filter 24 is shown in FIG ! is that the mean amplitude approximates the DC output voltage corresponds to voltage level "A".

Das Zerhacken wird bewerkstelligt, indem die Thyristoren in dem ,The chopping is done by placing the thyristors in the

Zerhacker 22 innerhalb einer jeden einzelnen Halbwelle des gleich-i gerichteten Stromes, wie in Fig. 4 gezeigt ist, zu relativ dicht ;Chopper 22 within each individual half-wave of the equal-i directed flow, as shown in Fig. 4, is too dense;

beieinanderliegenden Zeitintervallen durchgesteuert werden. Jedes-, mal wenn der Leitungsvorgang begonnen worden ist, wird er zu eine'r' geeigneten Zeit beendet, so daß die mittlere Ausgangsspannung des ■ adjacent time intervals can be controlled. Each time conduction has begun, it is terminated at an appropriate time so that the average output voltage of the ■

Filters 24 innerhalb des Intervalls einer jeden Leitungsperiode j der gewünschten mittleren Aus gangs spannung entspricht. Die momenta·}· ne Ausgnagsspannung auf den Leitungen 26 wird durch den Steuerteil j 22a des Zerhackers gemessen und dient zur Bestimmung des Abschaltzeitpunktes oder der Dauer des besonderen Impulses. Es ist klar, daß bei verschiedenen Lastzuständen sich auch verschiedene Verweilperioden ergeben.Filter 24 corresponds to the desired average output voltage within the interval of each line period j. The moment ·} · ne output voltage on lines 26 is controlled by the control part j 22a of the chopper and is used to determine the switch-off time or the duration of the special pulse. It's clear, that with different load conditions there are also different dwell periods.

Beim tatsächlichen Betrieb treten innerhalb des Intervalls einerIn actual operation occur within the interval one

_{o o} vorzugsweise _oo preferably

sich von 0 - l80 erstreckenden Sinus-Halbwelle/2o gleichabständige zeitgesteuerte Impulse auf. Jeder zweite Impuls wird durch die logische Schaltung des Steuerteils 22a dazu benutzt, den Thyristor des Zerhackers innerhalb der Spannungsgrenzen der betrachteten Sinus-Halbwelfe in den Leitzustand durchzuschalten.from 0 - 180 extending sine half-wave / 2o equally spaced timed impulses. Every other pulse is used by the logic circuit of the control part 22a to the To switch the thyristor of the chopper through to the conductive state within the voltage limits of the sine half-wave under consideration.

Der Thyristor wird abgeschaltet, wenn die mittlere Spannung innerhalb des zeitgesteuerten Zyklus die gewünschte Ausgangsspannung er-The thyristor is switched off when the mean voltage is within of the time-controlled cycle, the desired output voltage is

reicht. Dies führt zu ziemlich weiten LeitungsPerioden währen der Teile der Sinus-Welle mit niedrigen Spannungswerten, aber zu engen Leitungsperioden während der Teile der Sinus-Welle, die höheren Spannungen entsprechen. Die tatsächliche Lage der Impulse ist relativ unwichtig, da die Gleichspannung dem Wechselrichter überenough. This leads to fairly long conduction periods during the Parts of the sine wave with low voltage values, but too narrow conduction periods during the parts of the sine wave that are higher Tensions correspond. The actual position of the impulses is relatively unimportant as the DC voltage passes through the inverter

einen Filter zugeführt wird und daher die Impulse keiner besonderen Ausgangswellenformgebung unterliegen. :a filter is fed and therefore the impulses no special Subject to output wave shaping. :

Bei der in der Fig. 5 als Beispiel gezeigten Kurve v/erden für jede Halbwelle 10 Unterteilungen benutzt. Der erste Impuls Cl beginnt bei 9° und endet bei "einer Impulsbreite von 14, 4° bei 25*4°. Der ■;In the curve v / earth shown as an example in FIG. 5 for each Half wave 10 subdivisions used. The first pulse Cl begins at 9 ° and ends at "a pulse width of 14.4 ° at 25 * 4 °. The ■;

Impuls C2 beginnt bei 27° und weist eine Impulsbreite von 7*2° auf] Bei jedem von 9° weiter führenden Schritt von 18° beginnt ein Impuls, wobei die Impulse nacheinander mit C3 bis C9 gekennzeichnet sind. Der schmälste Impuls ist der Impuls C5, der bei 8l beginnt und bei 84,5° endet. Der letzte Impuls C9 bei der besonderen Sinus·· Halbwelle beginnt bei Ij55 und endet bei 167,2 . Es verbleiben demnach am Ende 12,8° bei dieser besonderen Sinus-Halbwelle plus der 9° am Beginn der nächsten Welle, ehe die Leitung mit einem anderen dem Impuls Cl entsprechenden Impuls beginnt. Ein zweiter Impuls würde bei I7I⁰ beginnen; er tritt jedoch nicht auf, da sich die Sinus-Welle unterhalb des Ausgangspegels "A" befindet. Die folgende Tabelle faßt dieses besondere Beispiel zusammen:Pulse C2 begins at 27 ° and has a pulse width of 7 * 2 °] At each step of 18 ° that continues from 9 °, a pulse begins, whereby the pulses are marked one after the other with C3 to C9. The narrowest pulse is pulse C5, which starts at 81 and ends at 84.5 °. The last pulse C9 in the special sine half-wave begins at Ij55 and ends at 167.2 . Thus, at the end of this particular sine half-wave plus the 9 ° at the beginning of the next wave, 12.8 ° remain before the line begins with another pulse corresponding to the pulse C1. A second pulse would start at I7I ⁰ ; however, it does not occur because the sine wave is below the "A" output level. The following table summarizes this particular example:

- 7 -2J3_£SAZ/ Q 017 - - 7 - 2J3_ £ SAZ / Q 017 -

Impulspulse BeginnBeginning Dauer■Duration ■ Endeend von V=Oof V = O von V=Oof V = O ClCl 9°9 ° 14,4°14.4 ° 23,4°23.4 ° C2C2 2727 7,27.2 34,234.2 C3C3 4545 5,45.4 50,450.4 c4c4 6363 ■' 4,7■ '4.7 67,767.7 C5C5 ειει 4,5 ·4.5 85,585.5 C6.'C6. ' 9999 4,64.6 .103,6.103.6 C7C7 117117 5,35.3 122,3122.3 C8C8 135135 7,07.0 142,0142.0 C9C9 153153 14, 214, 2 167,2167.2

Der Filter 24 braucht nun nur diese Impulse auszunehmen und genügend Energie zu speichern, wenn die Energie bereitsteht, um die Lücke aufzufüllen, wenn die Energie nicht mehr zugeführt wird. Der: sich am Filterausgang ergebende Spannungsverlauf wird in der Fig. ■ The filter 24 now only needs to take out these pulses and store enough energy when the energy is available to fill the gap when the energy is no longer supplied. The: will in FIG at the filter output resulting voltage curve ■.

6 gezeigt. '. 6 shown. '.

Da die Ausgangsimpulse des Zerhackers 22 eine Frequenz aufweisen \ die größer ist als die Eingangsfrequenz, z.B. 9 Mal so groß wie diese Frequenz, wird ihre Größe entsprechend reduziert. Wenn z.B.Because the output pulses of the chopper 22 have a frequency \ which is reduced than the input frequency, for example, 9 times as large as this frequency is, their size correspondingly larger. If e.g.

en 9 Impulse anstelle eines Impulses benutzt wera, wie es beispiels- ·en 9 impulses instead of one impulse wera, as it is for example

ι
weise gezeigt ist, kann der EntwicklungsIngenieur die Kapazitätι
wisely shown, the design engineer may have the capacity

I auf 1/3 und die Induktivität auf 1/3 der Werte reduzieren, die bei der ursprünglichen Frequenz erforderlich wären. Die Wahl einer iDcli größeren Zerhackerfrequenz würde die Größe der Induktivitäten und Kapazitäten entsprechend weiterverringern. Das Anlegen der Aush ^ eines solchen Filters 26 an den Wechselrichter führt!Reduce I to 1/3 and the inductance to 1/3 of the values at the original frequency would be required. Choosing an iDcli greater chopping frequency would reduce the size of the inductors and reduce capacities accordingly. The creation of the Aush ^ such a filter 26 leads to the inverter!

20 98 82/0617 - 8 - . 20 98 82/0617 - 8 -.

-CJ--CJ-

zur Erzeugung einer dreiphasigen Ausgangswechselspannung bei jedem gewünschten Spannungcpegel unterhalb rund 15 % des Spitzenwertes der Eingangswechselspannung. .for generating a three-phase AC output voltage at any desired voltage level below around 15 % of the peak value of the AC input voltage. .

Obwohl hier der bevorzugte Gebrauch in einem Eisenbahnwagen beschrieben worden ist, kann das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung auch anderen B.enutzungsarten zugeführt werden, ohne daß dabei von den Grundprinzipien der vorliegenden Erfindung abgewichen würde. So kann z.B. bei vielen Benutzungsarten :und-anwendungen der hochtransformierende Transformator 14 als Teil: der Vorrichtung zur Erzeugung einer geregelten Ausgangsgleich- ; spannung (über die Leiter 26) oder einer geregelten Ausgangswechselspannung (vom Wechselrichter 28) aus einer kleinen Wechselspannung vorgesehen sein. Es sollte beachtet werden, daß die vorliegende Erfindung von der üblichen Annäherung an das Problem in der Bereitstellung eines solchen hochtransformierenden Transformators abweicht.Although the preferred use in a railroad car is described here has been, the method according to the invention and the device according to the invention can also be used for other types of use without departing from the basic principles of the present invention would deviate. For example, with many types of use: and applications, the high-transforming transformer 14 can be used as part of: the device for generating a regulated output equalization; voltage (via conductors 26) or a regulated AC output voltage (from the inverter 28) can be provided from a small alternating voltage. It should be noted that the present Invention deviates from the usual approach to the problem of providing such a step-up transformer.

209882/0 617209882/0 617

Claims

PatentanwältePatent attorneys

Dr. Ing.H. Negendank

Dipl. Ing. H. Hauck - DipS. Phys. W. Schmitz

Dipl. Ing. E. Graalfs - Dipl. Ing. VV. Wehnert

8 Munich 2, Moxartsiraße 23

P Il 26 540.9 Telephone 5380586

m: -rg-Warner Corp.

Attorney File M-2194 August 1, 197

Claims

1, Method of generating a DC voltage with low ripple noise from a single-phase alternating voltage of a first frequency with the aid of a relatively small filter, characterized in that that first the single-phase alternating voltage of the first frequency is rectified to a full-wave pulsating DC voltage with a peak voltage, then each ; iialtmelle of the pulsating DC voltage with a first ; Frequency is chopped, which is much greater than the first, '.' high pulsation frequency and a medium level that is a small fraction of the peak spanming * land shut * borrowed the DC voltage thus obtained in the small filter Honer pulsation frequency to generate an equal " tension in the form of a small fraction of the peak spawn is filtered with a small noise factor *.

| 2. Vör & sUtipeft »oh claim 1, thereby gefceft & Z'ei'ctonet ?, '-that

-der Bin ^ gaiigsWechseis ^ annung 'the will.

3. Device for generating a DC voltage with low Humming interference from an AC input voltage, in particular for carrying out the method according to Claim 1 or 2, characterized by a full-wave rectifier (18) connected to the AC voltage input and one to the full-wave rectifier connected and its output voltage receiving chopper (22) for generating a DC output voltage with low hum, each wave at a relatively honing Frequency chopped up.

4. Apparatus according to claim 3, characterized in that between an input for an alternating voltage of relatively small amplitude and the alternating voltage input, which is connected to the full-wave rectifier connected, a step-up transformer

; (14,16) is connected to the rectifier an input ; AC voltage to put relatively honer amplitude, its amplitude; is significantly greater than the amplitude of the DC output voltage with a small sum factor.

5. Plant for performing the method according to claim 1 in one Railway carriages with an AC-powered air conditioning system for the generation of a regulated.

j energy for the operation of the air conditioning system from a iioclrepaiunuags-; drive supply, characterized by a rectifier (IB) connected to the iiociaspaiinungsantriebsyersorgimg for rectifying the alternating voltage into a pulsating output

209882/0617 ~³~209882/0617 ~ ³ ~

DC and high voltage with a peak voltage; a chopper (22) connected to the rectifier for receiving the rectifier output voltage and for generating a pulsating DC output voltage, in which the average voltage of the pulses within each half-wave is limited in terms of voltage * to a predetermined level, which is a maximum of half the absolute value of the peak voltage of the rectifier output voltage. can correspond _? by a relatively small filter (24) which is connected to the chopper to receive the chopper output voltage and to generate a DC voltage with a relatively small hum factor, and by an inverter (28) connected to the filter to generate the low AC voltage for operating the Air conditioning.

| 6. Installation according to claim 5, characterized in that the preparatory \, Fourth approved the Zerhackeraus transfer voltage in Bareich of 10 20% of the peak voltage of the rectifier output voltage.

7. Plant according to claim 5 or 6, characterized in that the chopping frequency is at least an order of magnitude above the > v ecus el voltage frequency is.

209882/0617

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