DE2253739A1

DE2253739A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur bordnetzversorgung eines fahrzeugs, insbesondere eines luftfahrzeugs

Info

Publication number: DE2253739A1
Application number: DE19722253739
Authority: DE
Inventors: Paul-Ferdinand Dipl In Mueller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-11-02
Filing date: 1972-11-02
Publication date: 1974-05-16
Also published as: DE2253739B2; FR2205763A1; GB1393637A; FR2205763B1

Description

Verfahren und Schaltungsanordnung zur Bordnetzversorgung eines Fahrzeugs, inabesondere eines Luftfahrzeugs -

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bordnetzversorgung eines Fahrzeugs, insbesondere eines Luftfahrzeugs, das eine Bordbatterie mit sich führt, welche über einen Wechselrichter das Bordnetz mit einer niederfrequenten Netzwechselspannung speist, sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Üblicherweise wird die niedere Gleichspannung der Bordbatterie, die z. B. 28 V beträgt, in einen Wechselrichter gegeben, der eine Wechselspannung der gewünschten Niederfrequenz abgibt. Diese Wechselspannung wird anschließend mit Hilfe eines Niederfrequenz-Transformators auf die /Höhe der gewünschten Netzwechselspannung herauftransformiert. Die Netzwechselspannung kann dabei z.B . einen Effektivwert von 115 bis 220 V und eine Niederfrequenz von 50 bis 400 Hz besitzen.

Bei diesem Verfahren zur Bordnetzversorgung wird also stets ein Niederfrequenz-Transformator verwendet, der. im allgemeinen von beträchtlichem Gewicht ist. Dadurch wird die gesamte Schaltungsanordnung sehr schwer, was sich bei Fahrzeugen in Form von zusätzlichen Energiekosten für den Antrieb nachteilig bemerkbar macht. Insbesondere bei Luftfahrzeugen wie Flugzeugen und Hubschraubern ist man bestrebt, sowohl das Gewicht als auch den Platzbedarf einer solchen Schaltungsanordnung zur Bordnetzversorgung klein zu halten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der ein-

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gangs genannten Art anzugeben, welches einen kleinen, kompakten und vor allem gewichtssparenden Aufbau der Schaltungsanordnung zur Bordnetzversorgung ermöglicht. Weiterhin soll eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden.

Die Erfindung beruht auf der Überlegung, daß der bisher übliche schwere Niederfrequenz-Transformator vermieden werden kann, wenn die Erhöhung der Batteriespannung nicht durch Niederfrequenz-Transformation, sondern durch eine Hochfrequenz-Transformation mittels eines Hochfrequenz-Transformator vorgenommen wird.

Die genannte Aufgabe wird erfindungegemäß durch ein Verfahren gelöst, welches gekennzeichnet ist durch die Kombination folgender Verfahrensschritte in der angegebenen Reihenfolge?

a) Umsetzung der Batteriespannung in eine erste hochfrequente Wechselspannung, deren Hochfrequenz um mindestens den Paktor 10 über der gewünschten Niederfrequenz der Netzwechselspannung liegt,

b) Herauftransformierung der ersten hochfrequenten Wechselspar, nung auf eine zweite hochfrequente Wechselspannung mit eir-t^a Scheitelwert, der im wesentlichen dem gewünschten Scheitelwert der Netzwechselspannung entspricht,

c) Gleichrichtung dieser zweiten hochfrequenten Wechselspannung zu einer Gleichspannung, und

d) Wechselrichtung dieser Gleichspannung zu der Netzwechaelepannung mit der gewünschten Niederfrequenz.

Sine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens zeichnet eich dadurch aus, daß an die Bordbatterie ein Hochfrequenz Wechselrichter angeschlossen ist, der über einen Hochfrequenz-Transformator einen Gleichrichter mit einer hochfrequenten Wechselspannung annähernd vom gewünschten Scheitelwert der Netzwechselspannung speist, und daß der Gleichrichter als Speisegleichspannungsquelle an einen Wechselrichter angeschlossen ist, dessen Ausgang mit dem Bordnetz verbunden ist.

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Als Gleichrichter kann dabei ζ. B. ein solcher mit ungesteuerten Ventilen in Brückenschaltung verwendet werden. Der Hochfrequenz-Wechselrichter kann insbesondere ein üblicher Gegentakt-Zerhacker sein. Die Hochfrequenz der Hochfrequenzstufe sollte über 10 kHz liegen.-.Ihr optimaler Wert ist durch Preis der Hochfrequenzstufe und durch die Ausgangsleistung der Schaltungsanordnung gegeben. Zwischen dem Ausgang des Wechselrichters und dem Bordnetz kann ein Filter angeordnet sein.

Als Wechselrichter kann insbesondere ein steuerbarer Pulswechselrichter vorgesehen sein, dessen Steuereingang von einem Steuergerät periodisch mit Steuerimpulsmustern beaufschlagt ist. Als Steuergerät kann beispielsweise nach der deutschen Offenlegungsschrift 2 023 825 ein Steuergerät mit digitalen Bauelementen vorgesehen sein, welches zeitlich festgelegte Steuerimpulsmuster bildet. Diese Steuerimpulsmuster sind unter dem Gesichtspunkt vorprogrammiert, daß bestimmte Oberschwingungen in der Ausgangsspannung des Wechselrichters nicht auftreten.

Eine Weiterbildung der Schaltungsanordnung ist dadurch gegeben, daß für die Netzwechselspannung ein Spannungsregelkreis vorgesehen ist, dem als Spannungssollwert das Steuerimpulsmuster des genannten Steuergeräts des Pulswechselrichters vorgegeben ist. Bei dieser Ausführungsform sollte als Stellgröße des Spannungsregelkreises die Amplitude der vom Hochfrequenz-Wechselrichter abgegebenen ersten hochfrequenten Wechselspannung gewählt werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die beigefügte Figur Bezug genommen, in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung schematisch dargestellt ist.

Die Figur zeigt eine Schaltungsanordnung zur BordnetzVersorgung eines Luftfahrzeugs, insbesondere eines Flugzeugs. Aus einer Bordbatterie 2 mit der Batteriespannung TJ_Q soll das Bordnetz 3 des Luftfahrzeugs mit einer Netzwechselspannung U_ der Niederfrequenz f_n gespeist werden. Beispielsweise kann die Batteriespannung U₀ = 28 V, der Effektivwert der Netzwechselspannung

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U_n * 115 V und deren Niederfrequenz f_n = 400 Hz betragen.

An die Bordbatterie 2 ist ein Hochfrequenz-Wechselrichter 4 angeschlossen, der insbesondere als Zerhacker (Gleichspannungswandler, Chopper) arbeiten kann. Als Hochfrequenz-Wechselrichter 4 läßt sich z. B. ein Gegentakt-Wechselrichter einsetzen. Der steuerbare Hochfrequenz-Wechselrichter 4 hat die Aufgabe, die Batteriespannung Uq in eine erste hochfrequente Wechselspannung U₁ umzuwandeln, deren Hochfrequenz f₁ um mindestens den Faktor 10 über der gewünschten Niederfrequenz f der Netzwecheelspanner U liegt. Die Hochfrequenz f.. liegt insbesondere im Bereich von 10 bis 30 kHz, sie kann aber auch in besonderen Fällen weitaus höher liegen. Die Amplitude der Wechselspannung U₁ am Ausgang des Hochfrequenz-Wechselrichters 4 ist etwa gleich der Höhe der Batteriespannung Uq. Im vorliegenden Fall ist der Hochfrequenz-Wechselrichter 4 über einen Steuereingang 5 steuerbar, so daß die Amplitude der Wechselspannung U₁ auch unter dem Wert der Batteriespannung Uq liegen kann. Der Steuereingang 5 ist mit einem Steuergerät 6 verbunden, welches Steuerimpulse abgibt.

Dem Hochfrequenz-Wechselrichter 4 ist ein Hochfrequenz-Transformator 7 nachgeschaltet. Hochfrequenz-Wechselrichter 4 und Hochfrequenz-Transformator 7 sind in der Figur zur leichteren Erläuterung der Funktion getrennt dargestellt. In der Praxis können sie jedoch eine Funktionseinheit bilden.Hochfrequenz-Transformator 7 transformiert die eingegebene erste hochfrequente Wechselspannung U₁ in eine zweite hochfrequente Wechselspannung Ug (derselben Hochfrequenz f₁), welche anschließend einem ungesteuerten Gleichrichter 8 zugeführt wird. Die zweite Wechselspannung Up kann beträchtlich größer sein als die erste Wechselspannung U₁. Das Übersetzungsverhältnis des Hochfrequenz-

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Transformators d.st so gewählt, daß der Scheitelwert der zweiten hochfrequenten Wechselspannung Ug im wesentlichen dem gewünschten Scheitelwert der Netzwechselspannung U entspricht. Soll im angegebenen Wertbeispiel der Effektivwert der Netzwechselspannung U_n = 115 V betragen, so wird als Scheitelwert der

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zweiten hochfrequenten Wechselspannung Up etwa U« = 200 V gewählt. Obwohl auf der Primärseite des Hochfrequenz-Transformators 7 Ströme beträchtlicher Größe, z. B. in Höhe von 200 A, fließen können, ist er von geringerem Gewicht gegenüber demjenigen Fall, in welchem eine Hinauftransformierung auf der Niederfrequenzseite mittels eines Niederfrequenz-Transformators erfolgt. Die Hochfrequenzstufe bewirkt also insgesamt eine Gewichts- und Platzeinspärung.

Die zweite hochfrequente Wechselspannung Up wird im ungesteuerten Gleichrichter 8, der z.· B. aus ungesteuerten Ventilen in Brückenschaltung bestehen kann, gleichgerichtet. Man erhält somit an dessen Ausgang eine Gleichspannung U-,, deren Wert ebenfalls im wesentlichen dem gewünschten Scheitelwert der Netzwechselspannung U entspricht.

Der Gleichrichter 8 ist als Speisegleichspannungsquelle an einen Wechselrichter 9 angeschlossen. Im Wertebeispiel wird also eine Gleichspannung von etwa 200 V in den Wechselrichter 9 eingegeben. Als Wechselrichter 9 kann z. B. ein solcher mit steuerbaren Halbleiterventilen, insbesondere mit Schalttran- sistoren, in Brückenschaltung oder in Mittelpunktschaltung verwendet werden. Im vorliegenden Fall ist insbesondere ein steuerbarer Pulswechselrichter vorgesehen, der seine Steuersignale über den Steuereingang 10 von einem Steuergerät 11 erhält.

Das Steuergerät 11 enthält logische Schaltkreise, die aus digitalen Bauelementen bestehen, z. B. nach der deutschen Offenlegungsschrift 2 023 825.' Diese Schaltkreise bilden Steuersignale, welche aus zeitlich festgelegten Steuerimpulsmustern bestehen, die im Hinblick auf minimale Oberschwingungen vorgegebener Ordnung in der Ausgangsspannung vorprogrammiert sind. Die Steuerimpulsmuster bestehen aus einer Anzahl von Einzelimpulsen gleicher Höhe, zwischen denen nach dem Programm Lücken eingefügt sind. Beispielsweise lassen sich Steuerimpulsmuster vorprogrammieren, die keine Oberschwingungen 11. Ordnung enthalten.

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Der Wechselrichter 9 richtet also die Gleichspannung U, in eine Wechselspannung von vorprogrammiertem Impulsmuster um. Der Effektivwert dieser Wechselspannung entspricht dem gewünschten Wert von z.B. 115 V. Ihre Grundschwingung besitzt den gewünschten Niederfrequenzwert von z. B. 400 Hz. Um eine sinusförmige Netzwechselspannung U zu erhalten, ist zwischen dem Ausgang des Wechselrichters 9 und dem Bordnetz 3 ein Filter 12 angeordnet, das auf die Grundschwingung der Netzwechselspannung U abgestimmt ist. Anstelle des dargestellten Bandfilters läßt sich auch jede andere Filteranordnung verwenden, z.B. eine einzige Drossel.

Zur Regelung der Netzwechselspannung U auf eine zeitlich feste Amplitude ist ein Spannungsregelkreis vorgesehen, der auf Spannungsänderungen, die z. B. infolge von Belastungsänderungen auftreten, sehr schnell anspricht. Der Spannungsregelkreis enthält einen Vergleicher 13, dem einerseits mittels eines Spannungswandlers 14 vom Bordnetz 3 der Istwert der sinusförmigen Netzwechselspannung U_n und andererseits ein Spannungssollwert U_ zugeführt werden. Der Spannungssollwert U„ besteht aus s s

einer sinusförmigen Referenzspannung, die bevorzugt aus dem Steuerimpulsmuster des Steuergeräts 11 gebildet wird. Dazu ist das Steuergerät 11 über ein Filter 15 mit dem Referenzeingang des Vergleichers 13 verbunden. Wieder kann jede beliebige Filteranordnung verwendet werden. Durch die Sollwertvorgabe aus dem Steuergerät 11 wird die sonst erforderliche besondere Sollwertquelle für die Amplitudenregelung der Netzwechselspannung U eingespart. Weiterhin werden die sonst üblichen Gleichrichter und Glättungsglieder vermieden, deren Zeitkonstante die Regelgeschwindigkeit festlegt. Da Gleichrichter und Glättungsglieder fehlen, gelangt man zu einer sehr schnellen Regelung.

Sollwert und Istwert der Netzwechselspannung U_n werden im Vergleicher 13 verglichen. Die auf diese Weise gebildete Regelabweichung wird in einem Verstärker ,16 verstärkt und anschließend auf das Steuergerät 6 des Hochfrequenz-Wechselrichters 4 gegeben. Als Stellgröße des Spannungsregelkreises ist somit die

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Amplitude der vom Hochfrequenz-Wechselrichter 4 abgegebenen ersten 'hochfrequenten Wechselspannung U-. vorgesehen. In Abhängigkeit der vom Vergleicher 13 ermittelten Regelabweichung kann die Wechselspannung U₁ am Ausgang des Hochfrequenz-Wechselrichters 4 sehr schnell nachgeregelt werden, z. B. innerhalb von weniger als 1 msec. Die dargestellte Schaltungsanordnung kann sowohl ein- als auch dreiphasig ausgeführt sein.

7 Patentansprüche
1 Figur

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Claims

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1. !Verfahren zur Bordnetzversorgung eines Fahrzeugs, insbesonaere eines Luftfahrzeugs, das eine Bordbatterie mit sich führt, welche über einen Wechselrichter das Bordnetz mit einer niederfrequenten Netzwechselspannung speist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Verfahrensschritte in der angegebenen Reihenfolge:

a) Umsetzung der Batteriespannung (U_Q) in eine erste hochfrequente Wechselspannung (U₁), deren Hochfrequenz (f..) um mindestens den Paktor 10 über der gewünschten Niederfrequenz (f ) der Netzwechselspannung (U_ß)liegt,

b) Herauftransformierung der ersten hochfrequenten Wechselspannung (U₁) auf eine zweite hochfrequente Wechselspannung (Up) mit einem Scheitelwert, der im wesentlichen dem gewünschten Scheitelwert der Netzwechselspannung (U ) entspricht,

c) Gleichrichtung dieser zweiten hochfrequenten Wechselspannung (Up) zu einer Gleichspannung (U,), und

d) Wechselrichtung dieser Gleichspannung (U~) zu der Ne tzwechselspannung (U) mit der gewünschten Niederfrequenz

2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Bordbatterie (2) ein Hochfrequenz-Wechselrichter (4) angeschlossen ist, der über einen Hochfrequenz-Transformator (7) einen Gleichrichter (8) mit einer hochfrequenten Wechselspannung (Uo) annähernd vom gewünschten Scheitelwert der Netzwechselspannung (U) speist, und daß der Gleichrichter (8) als Speisegleichspannungsquelle an einen Wechselrichter (9) angeschlos sen ist, dessen Ausgang mit dem Bordnetz (3) verbunden ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang des Wechselrichters (9) und dem Bordnetz (3) ein Filter (12) angeordnet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn-

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zeichnet, daß als Wechselrichter (9) ein steuerbarer Pulswechselrichter vorgesehen ist, dessen Steuereingang (10) von einem Steuergerät (11) periodisch mit Steuerimpulsmustern
beaufschlagt ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, ■ daß ein Steuergerät' (11). mit digitalen Bauelementen vorgesehen ist, welches zeitlich festgelegte Steuerimpulsmuster bildet.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch, gekennzeichnet , daß für die Netzwechselspannung (U) ein Spannungsregelkreis vorgesehen ist, dem als Spannungssollwert (TJ₁) das Steuerimpulsmuster des Steuergeräts (11) des Pulswechselrichters vorgegeben ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Stellgröße des Spannungsregelkreises die Amplitude der vom Hochfrequenz-Wechselrichter
(4) abgegebenen ersten hochfrequenten Wechselspannung (U₁) vorgesehen ist.

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