DE2253739C3 - Schaltungsanordnung zur Versorgung des Bordnetzes eines Fahrzeuges, insbesondere eines Luftfahrzeuges - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Versorgung des Bordnetzes eines Fahrzeuges, insbesondere eines Luftfahrzeuges, mit einer niederfrequenten Wechselspannung aus einer Bordbatterie, die das Bordnetz über einen Hochfrequenz-Wechselrichter, einen Hochfrequenz-Transformator, einen Gleichrichter und einen zweiten Wechselrichter speist, wobei der Hochfrequenz-Wechselrichter die Batteriespannung in eine erste hochfrequente Wechselspannung umsetzt, deren Frequenz erheblich über der gewünschten Frequenz der Netzwechselspannung liegt und wobei der Hochfrequenz-Transformator die erste hochfrequente Wechselspannung auf eine zweite hochfrequente Wechselspannung herauftransformiert, deren Scheitelwert im wesentlichen dem Scheitelwert der gewünschten Netzspannung entspricht und wobei der zweite Wechselrichter die Ausgangsgleichspannung des Gleichrichters zur gewünschten niederfrequenten Netzwechselspannung umrichtet.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist bekannt aus IEEE TRANSACTIONS ON AEROSPACE AND

ELECTRONIC SYSTEMS VOL AES-5, Nr. 6, November 1969, S. 989 bis 995. Hierbei wird die niedere Gleichspannung einer Bordbatterie von beispielsweise 28 Volt über einen Hochfrequenz-Wechselrichter, einen Hochfrequenz-Transformator, einen Gleichrichter und

ίο einen zweiten Wechselrichter in eine Netzwechselspannung umgeformt, die beispielsweise einen Effektivwert von 115 bis 220 V und eine Niederfrequenz von 50 bis 400 Hz aufweisen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer derartigen Schaltungsanordnung zur Bordnetzversorgung eines Fahrzeuges, insbesondere eines Luftfahrzeuges, einen oberschwingungsarmen Betrieb und eine rasche Spannungsregelung bei plötzlichen Belastungsänderungen zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als zweiter Wechselrichter ein steuerbarer Pulswechselrichter vorgesehen ist, der eingangsseitig mit dem Ausgang des Gleichrichters und ausgangsseitig mit dem Bordnetz verbunden ist und dessen Steuereingang von einem Steuergerät periodisch mit Steuerimpulsmuste. η beaufschlagt ist, und daß für die Netzwechselspannung ein Spannungsregelkreis vorgesehen ist, dem als Spannungssollwert das Steuerimpulsmuster des Steuergeräts des Pulswechselrichters und die Netzwechselspannung als Istwert vorgegeben ist und der als Stellgröße die Amplitude der vom Hochfrequenz-Wechselrichter abgegebenen ersten hochfrequenten Wechselspannung beeinflußt.
Durch die in der erfindungsgemäßen Schaltungsan-Ordnung vorgesehene Verwendung eines Pulswechselrichters können bestimmte Oberschwingungen vermieden werden und damit auch eine Belastung der Schaltung mit diesen Oberschwingungen. Aufwand und insbesondere Gewicht des Hochfrequenz-Transformators und der Filter können dadurch vermieden werden. Der erfindungsgemäß vorgesehene Spannungsregelkreis greift bereits am Eingang der Schaltungsanordnung ein, nämlich bei dem an die Bordbatterie angeschlossenen Hochfrequenz-Wechselrichter. Spannungsänderungen im Bordnetz können dadurch besonders schnell ausgeregelt werden. Die schnelle Regelgeschwindigkeit kann voll ausgenutzt werden, da auch der Spannungssollwert für den Spannungsregelkreis aus dem Impulsmuster für den Pulswechselrichter abgeleitet wird.

Ein geeignetes Steuergerät für den Pulswechselrichter ist beispielsweise in der DT-OS 20 23 825 beschrieben. Dieses bekannte Steuergerät bildet ein Steuerimpulsmuster, das so vorprogrammiert ist, daß bestimmte Oberschwingungen in der Ausgangsspannung des Pulswechselrichters nicht auftreten.

Um eine möglichst sinusförmige Netzwechselspannung zu erhalten, sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor, daß zwischen dem Ausgang des steuerbaren Pulswechselrichters und dem Bordnetz, sowie zwischen dem Ausgang des Steuergeräts des Pulswechselrichters und dem Vergleichspunkt des Spannungsregelkreises jeweils ein Filter vorgesehen ist. Die beiden Filter sind insbesondere auf die Grundschwingung der Netzwechselspannung abgestimmt. Die günstigen Regeleigenschaften des schnellen Spannungsregelkreises bleiben erhalten.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die

Zeichnung Bezug genommen, in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung schematisch dargestellt ist.

Die Zeichnung zeigt eine Schaltungsanordnung zur Bordnetzversorgung eines Luftfahrzeuges, insbesondere eines Flugzeuges. Aus einer Bordbatterie 2 mit einer Batteriespannung Lh soll das Bordnetz 3 des Luftfahrzeuges mit einer Netzwechselspannung Un der Niederfrequenz fn gespeist werden. Beispielsweise kann die Batteriespannung Lh = 28 Volt, der Effektivwert der Netzwechselspannung t/n = 115 V und deren Niederfrequenz in = <;00 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 Lh in eine erste hochfrequente Wechselspannung U\ umzuwandeln, deren Hochfrequenz /i um mindestens den Faktor 10 über der gewünschten Niederfrequenz fn der Netzwechselspanner Un liegt. Die Hochfrequenz /i liegt insbesondere im Bereich von 10 bis 3OkHz, sie kann aber auch in besonderen Fällen weitaus höher liegen. Die Amplitude der Wechselspannung Ui am Ausgang des Hochfrequenz-Wechselrichters 4 ist etwa gleich der Höhe der Batteriespannung Lh. Im vorliegenden Fall ist der Hochfrequenz-Wechselrichter 4 über einen Steuereingang 5 steuerbar, so daß die Amplitude der Wechselspannung U\ auch unter dem Wert der Batteriespannung Lh 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. Der Hochfrequenz-Transformator 7 transformiert die eingegebene erste hochfrequente Wechselspannung U\ in eine zweite hochfrequente Wechselspannung Lh (derselben Hochfrequenz Λ), welche anschließend einem ungesteuerten Gleichrichter 8 zugeführt wird. Die zweite Wechselspannung Lh kann beträchtlich größer sein als die erste Wechselspannung Lh. Das Übersetzungsverhältnis des Hochfrequenz-Transformators 7 ist so gewählt, daß der Scheitelwert der zweiten hochfrequenten Wechselspannung Lh im wesentlichen dem gewünschten Scheitelwert der Netzwechselspannung Un entspricht. Soll im angegebenen Wertbeispiel der Effektivwert der Netzwechselspannung L/n= 115V betragen, so wird als Scheitelwert der zweiten hochfrequenten Wechselspannung Lh etwa Lh = 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 Platzeinsparung.

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

Der Gleichrichter 8 ist als Speisegleichspannungsqueile 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 Schalttransistoren, 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 20 23 825. 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.

Der Wechselrichter 9 richtet also die Gleichspannung Lh 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 Un zu erhalten, ist zwischen dem Ausgang des Wechselrichters 9 und dem Bordnetz 3 ein Filter 12 angeordnet, der auf die Grundschwingung der Netzwechselspannung Un abgestimmt ist. An Stelle des dargestellten Bandfilters läßt sich auch jede andere Filteranordnung verwenden, z. B. eine einzige Drossel.

Zur Regelung der Netzwechselspannung Un 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 Un und andererseits ein Spannungssollwert Us zugeführt werden. Der Spannungssollwert Us besteht aus 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 Un 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 Un 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 Amplitude der vom Hochfrequenz-Wechselrichter 4 abgegebenen ersten hochfrequenten Wechselspannung U\ vorgesehen. In Abhängigkeit der vom

Vergleicher 13 ermittelten Regelabweichung kann die Wechselspannung LJ\ 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Versorgung des Bordnetzes eines Fahrzeuges, insbesondere eines Luftfahrzeuges, mit einer niederfrequenten Wechselspannung aus einer Bordbatterie, die das Bordnetz über einen Hochfrequenz-Wechselrichter, einen Hochfrequenz-Transformator, einen Gleichrichter und einen zweiten Wechselrichter speist, wobei der Hochfrequenz-Wechselrichter die Batteriespannung in eine erste hochfrequente Wechselspannung umsetzt, deren Frequenz erheblich über der gewünschten Frequenz der Netzwechselspannung liegt und wobei der Hochfrequenz-Transformator die erste hochfrequente Wechselspannung auf eine zweite hochfrequente Wechselspannung herauftransformiert, deren Scheitelwert im wesentlichen dem Scheitelwert der gewünschten Netzspannung entspricht und wobei der zweite Wechselrichter die Ausgangsgleichspannung des Gleichrichters zur gewünschten niederfrequenten Netzwechselspannung umrichtet, dadurch gekennzeichnet, daß als zweiter Wechselrichter (9) ein steuerbarer Pulswechselrichter vorgesehen ist, der eingangsseitig mit dem Ausgang des Gleichrichters und ausgangsseitig mit dem Bordnetz verbunden ist und dessen Steuereingang (10) von einem Steuergerät (11) periodisch mit Steuerimpulsmustern beaufschlagt ist, und daß für die Netzwechselspannung (Un) ein Spannungsregelkreis vorgesehen ist, dem als Spannungssollwert (Us) das Steuerimpulsmuster des Steuergeräts (11) des Pulswechselrichters (9) und die Netzwechselspannung als Istweit vorgegeben ist und der als Stellgröße die Amplitude der vom Hochfrequenz-Wechselrichter (4) abgegebenen ersten hochfrequenten Wechselspannung (U\) beeinflußt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang des steuerbaren Pulswechselrichters (9) und dem Bordnetz (3), sowie zwischen dem Ausgang des Steuergeräts (11) des Pulswechselrichters (9) und dem Vergleichspunkt (13) des Spannungsregelkreises jeweils ein Filter(12bzw. 15) vorgesehen ist.