DE2261624A1 - Statischer umformer - Google Patents

Description

Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH Frankfurt am Main, Theodor-Stern-Kai 1

öh/bw Erf.-Nr. B I 72/101

Statischer Umformer

Die Erfindung betrifft einen statischen Umformer zum Anschluß an verschiedenartige Hochspannungsnetze, bestehend aus einem Eingangsteil, einem Halbleiterschalter, einem Steuerungsteil und einem Ausgangsteil.

Umformer werden z. B. zum Laden von Batterien dort gebraucht,-wo das batteriegespeiste Netz unabhängig sein muß von dem Netz, aus dem die Batterie aufgeladen werden soll. Das ist z. B. bei Reisezügen der Fall, welche das batteriegespeiste Netz für Beleuchtungs- und Steuerungszwecke benötigen, während die Aufladung der Batterie aus dem hochgespannten Zugsammelschienenspannungsnetz vorgenommen wird. Besonders schwierig ist die Batterieaufladung im grenzüberschreitenden Verkehr. Bekanntlich gibt es im elektrischen Zugforderungssystem in Europa mehrere Systeme, von denen eines Gleichspannung von 1,5 kV, ein anderes Gleichspannung von 3 kV, ein weiteres Wechselspannung von 1,5 kV 50 Hz und ein viertes Wechselspannung von 1 kV 16 2/3 Hz verwenden.

Es ist bereits bekannt, eine Batterie durch ein Ladegerät aufzuladen, welches bei anstehender Wechselspannung über Transformatoren versorgt wird, während bei anstehender

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Gleichspannung ein anderes Ladegerät durch Drehspannung ver-•sorgt wird, die ein vorgeschalteter rotierender Gleichstrom-_r Drehstrom-Umformer liefert. u

Es ist auch schon ein statischer Umformer bekannt, der aus zwei gleichen Wechselrichtern mit Überspannungs- und Überstromschutz besteht. Beide Anordnungen sind sehr aufwendig und schwierig unterzubringen. (BBC-Nachrichten, Mai-Juni 1971)

Die Aufgabe besteht daher darin, einen Umformer zum Anschluß an verschiedenartige Hochspannungsnetze zu schaffen, der lediglich statische Teile enthält und gleichzeitig für alle vorkommenden Netze geeignet ist. Der statische Umformer besteht aus einem Eingangsteil, einem Halbleiterschalter, einem Steuerungsteil und einem Ausgangsteil. Die Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der Halbleiterschalter aus einem Eingangskondensator, mehreren in Reihe und parallel angeordneten Halbleitern, einer Ausgangsinduktivität und einer Ausgangsdiode aufgebaut ist, wobei die Halbleiter jeweils so geschaltet sind, wie es die eingespeiste Spannung und die Ausgangsleistung erfordern.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

In Fig. 1 ist in einem Blockschaltbild das Prinzip der Ladung einer Batterie aus dnem Netz dargestellt. Die eingespeiste Spannung, die eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung sein kann, wird im Eingangsteil über einen Gleichrichter 1 und ein Eingangsfilter 2 einem Halbleiterschalter 3 zugeleitet. Die umgeformte Spannung wird im Ausgangsteil über ein Ausgangsfilter 4 an die nicht dargestellte Batterie geschaltet. Da die Eingangsspannung verschiedenartig sein kann, erfolgt die Umformung der Spannung in Abhängigkeit von jener, da gewährleistet sein muß, daß die umgeformte Spannung weitgehend konstant sein soll. Zwischen dem Ausgangsfilter *l· und der Batterie erfolgt daher eine Messung der Ausgangswerte, die

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über eine Meßwerterfassung 5 an. eine Steuerung 6 mit Zündschaltung 10 gegeben werden, welche den Halbleiterschalter ^ beeinflußt.

In Fig. 2 ist der Halbleiterschalter 3 im einzelnen dargestellt. Er besteht in einer Ausführungsform aus einem Kondensator 7» der in Verbindung mit einer Drossel als·Eingangsfilter 2 wirkt, einem Halbleiterblock 8, der aus Gruppen parallel- und in Serie geschalteter Halbleiter zusammengesetzt ist, einer Ausgangsinduktivität 9 und einer Ausgangsdiode 11.

Im Halbleiterschalter 3 wird die Spannung über die zweckmäßig geschalteten Halbleiter des Halbleiterblocks 8 der Ausgangsinduktivität 9 zugeführt, welche die Spannung in die für die Batterie geeignete übersetzt. Bei hohen Eingangs-Wechsel-Spannungen erfolgt die Ausfilterung der Oberwellen aufgrund isolationstechiiischer baulicher Vorteile im Niederspannungs-Ausgangsteil.

Die Beeinflussung der Halbleiter im Halbleiterblock erfolgt durch die Steuerung. Aus den Meßwerten im Ausgang ist zu erkennen, ob die Dauer des Energieflusses über die Halbleiter vergrößert oder verkleinert werden muß. Ist die Eingangs— spannung hoch, so wird die Dauer des "Energieflusses verkürzt und umgekehrt.

In Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform des Umformers dargestellt. In dieser Variante wird der Eingangskondensator 7 in mehrere Teilkondensatoren aufgeteilt. Zu jedem Teilkondensator gehört eine Gruppe parallelgeschalteter Halbleiter, welche aus der Aufteilung des Halbleiterblocks 8 stammen. Jede Gruppe wird an einen Teil der ebenfalls geteilten Aus— gangsinduktivität geschaltet.

Es ist jedoch auch möglich, jeden Halbleiter für sich auf je eine Teilinduktivität der aufgeteilten Ausgangsinduktivität zu schalten, wie aus Fig. 4 zu ersehen ist. · .

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Eb läßt eich zeigen, daß der Spannungehub am Halbleiterblock zwischen den verschiedenartigen Eingangsepannungen durch die Anordnung des Halbleitersehalters nach der Erfindung beträchtlich vermindert werden kann. Wird der Umformer in dem beschriebenen Aueführungebeispiel zum Laden von Zugbatterien eingesetzt, so können die eingangs angegebenen Eingangsspannungen anliegen. Sie können - durch die Betriebeverhältnisse bedingt - bis zu max. * 40 % von der Nennspannung abweichen, so daß der Umformer in einem Spannungebereich zwischen U.₄„ - 600 V und U _ - 4200 V arbeitsfähig sein muß. Der Ein-.mxn max

gangsspannungshub ist daher ^_ηΒ3/^_Λ±_η ■ 7*

Der Halbleiterblock 8 wird mit einer Sperrspannung belastet, die gleich ist der zu schaltenden Eingangsspannung und der konstanten Ausgangs-Batterieapannung multipliziert mit dem Übersetzungsverhältnis der Ausgangs-Induktivität 9* Da der letztere Faktor K konstant ist, liegt am Halbleiterblock beim Spannungsniveau U-^_n eine Sperrspannung Ug ^ - U* + K.

Ist E * U . - wie in der vorliegenden Schaltung - so ist ersichtlich, daß die Spannungebelastung nur zwischen ^Smin * ^ ^min ^un^' ^USmax * ® ^min ^scnwan*^:* (Sperrspannungshub Ug_max/Uß j_ »4). Dieses nicht lineare Wachsen der Spannungsbelastung der Halbleiter ist ein wesentlicher Vorteil der vorgeschlagenen Anordnung.

Der Vorteil des vorstehend beschriebenen Umformers besteht darin, daß er keine rotierenden und daher störanfälligen Teile enthält, daß er aus allen vorkommenden verschiedenartigen Netzen gespeist werden kann, daß er eine Verkleinerung des Spannungshubes gestattet, daß die Filterung der Oberwellen im Ausgangeteil erfolgen kann und daß er einen einfachen und zweckmäßigen Aufbau besitzt.

4 Seiten Beschreibung

5 Patentansprüche

3 Blatt Zeichnungen mit 4 Fig.

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Claims (5)

1. Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH Frankfurt am Main, Theodor-Stern-Kai 1

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   P at ent ans ρ r ü ehe

   Statischer Umformer zum Anschluß an. verschiedenartige Netze, bestehend aus einem Eingangsteil, einem Halbleiterschalter, einem Steuerungsteil und einem Ausgangsteil, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterschalter aus einem Eingangskondensator, mehreren in Reihe und parallel angeordneten Halbleitern, einer Ausgangsinduktivität und einer Ausgangsdiode aufgebaut ist, wobei die Halbleiter jeweils so geschaltet sind, wie es die eingespeiste Spannung und die Ausgangsleistung erfordern,
2. 2. Statischer Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangskondensator in mehrere in Serie geschaltete Teilkondensatoren aufgeteilt ist, die mit Je einer Gruppe parallelgeschalteter Halbleiter verbunden sind.
3. 3. Statischer Umformer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Gruppen von parallelgeschalteten Halbleitern auf je eine Teilinduktivität der aufgeteilten Ausgangsinduktivität geschaltet sind.

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4. 4·. Statischer Umformer nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung die Dauer des Energieflusses über die Halbleiter bestimmt.
5. 5. Statischer Umformer nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 oder 3^ dadurch gekennzeichnet, daß die Ausfilterung der Oberwellen bei hohen Eingangswechselspannungen im Niederspannungsausgangsteil erfolgt.

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