DE4446778A1 - Stromrichter für Bordnetze - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Stromrichterelement für Bordnetze nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solches einphasiges Bordnetz ist aus der Veröffentlichung "Analysis of N Schwarz Inverter driving a common Ac Bus" von Bisvadjid Ray und Thomas A. Stuart, Proceedings of the IEEE, 1987 bekannt.

Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß immer ein Verbraucher mit einer Grundlast vorhanden sein muß.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Maßnah­ men eine konstante Spannung in einem weiten Bereich von Impedanzen verschiedenartiger Verbraucher zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufge­ führten Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Vorteile der Erfindung sind die universelle Anwendbarkeit des Stromrichters und der dadurch mögliche modulare Schaltungsaufbau.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild des erfindungsgemäßen Stromrichters für Bordnetze;

Fig. 2 den Strom- und Spannungsverlauf am Schwingkreis;

Fig. 3 ein Schaltbeispiel für Elektrofahrzeuge;

Fig. 4 eine Schaltung für eine Kombination von Motor und Generator;

Fig. 5 eine Ausführung in Halbbrückenschaltung mit einem Steuergerät;

Fig. 6 eine Ausführungsform der Doppelbrücke mit Streutransformator;

Fig. 7 eine Halbbrückenschaltung mit Streutransformator und

Fig. 8 eine schematische Ansicht eines Streutransformators.

Die Eingangsgleichspannung U_E wird, wie in Fig. 1 gezeigt, zunächst einmal in der Frequenz heraufgesetzt. Dies geschieht in den gesteuerten Leistungshalbleitern T1 bis T4. Die Ansteuerung dieser Transistoren geschieht durch eine Frequenz, weiche mit den Serienschwingkreisen L1/C1 und L2/C2 in Resonanz ist. Die Spannung U1 wird also in eine Spannung gleicher Höhe mit höherer Frequenz auf dem Netz N vorhanden sein.

In Fig. 2 ist die geschaltete Spannung U1 zusammen mit dem Strom i_L1 dargestellt. Der Strom i_L1 und die Spannung U1 werden hinter dem Kondensatorpaar C₁, C₂ gemessen. Obwohl die Spannung einen rechteckförmigen Verlauf hat, wobei die Spannung U1 gegenüber der Steuerspannung U_s leicht versetzt ist, ist der Strom sinusförmig.

Neben der Vollaussteuerung kann man die Spannung durch Variation der Einschaltdauer der positiven und negativen Spannungsanteile der Steu­ erspannung U_s auch kleiner machen. In der Schaltung ist eine Last R_L dargestellt, weiche sinusförmige Ströme aufnimmt. Falls die Last induk­ tive Anteile enthält, müssen diese durch Kondensatoren abgepuffert werden. Die Spannung U_N kann niemals größer sein als U1 oder U_E, die Eingangsgleichspannung, da sie durch die Klemmdioden DR1 bis DR4 be­ grenzt wird. Durch den Schwingkreis L1/C1 und L2/C2 wird der Strom i_L1 sinusförmig. Als Vorteil ergibt sich eine gute elektromagnetische Verträglichkeit. Die rechteckförmige Spannung ist - ein weiterer wesentlicher Vorteil - konstant und eine Regelung der Spannung ist nicht erforderlich. Es können in einem weiten Bereich Verbraucher mit beliebiger Impedanz zu geschaltet werden. Außerdem würde bei einem Lastabwurf die Spannung ohne die Klemmdioden beliebig ansteigen können. Da aber dann der Strom über die Dioden fließt, kann dies nicht geschehen. Die Dioden haben in diesem Falle die Funktion von Freilaufdioden.

Die Spannungsebenen in einem Bordnetz nach der Erfindung sollen so gewählt werden, daß ein besonderer Berührungsschutz nicht erforder­ lich ist. Maximal zulässig ist eine Gleichspannung von 60 V und bei einer Wechselspannung von 30 kHz eine maximale Spannung von 87,5 V_eff. Aus diesen Gründen erscheint die Verwendung von Mittelfrequenz sinnvoll.

Mit 60-70 V kann man Scheibenwischermotoren und ähnliches auch mit gutem Wirkungsgrad betreiben. Die Leitungsquerschnitte können bei einer solchen Spannung bereits stark reduziert werden. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß für jeden Verbraucher eine sehr leichte Spannungsanpassung durchgeführt werden kann.

Insgesamt hat das Bordnetzkonzept folgende Vorteile:

• - gute elektromagnetische Verträglichkeit,
• - hoher Wirkungsgrad des Einspeisestromrichters,
• - hohe Spannungskonstanz auch unter Lastwechsel,
• - Regelmöglichkeit des Ausgangsstromes für den Kurzschlußfall,
• - günstige Kosten,
• - der Stromrichter 1 kann auch Blindleistung liefern.

Beispiel 1

In Fig. 3 ist ein Anwendungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Strom­ richter 1 dargestellt. Dieser Stromrichter ist im rechten Teil der Fig. 3 dargestellt und entspricht dem Stromrichter 1 in Fig. 1. Die Eingangs­ spannung U_E wird durch die Traktionsbatterie TB geliefert. Diese Batte­ rie arbeitet zunächst auf einen Primärstromrichter 3. Dieser Stromrichter ist erforderlich, da der Zentralstromrichter 1 mit Mittelfrequenz arbeitet. Aus Sicherheitsgründen muß eine weitere Pufferbatterie PB vorhanden sein. Diese Pufferbatterie versorgt das Mittelfrequenznetz auch dann, wenn die Traktionsbatterie TB die Energieversorgung nicht ge­ währleisten kann. Auch diese Batterie ist über einen kombinierten Hoch­ setz-Tiefsetzsteller und gesteuerten Gleichrichter als Modul "Batteriestromrichter 2" mit Primärstromrichter 3 und Zentralstromrichter 1 verbunden. Dazwischen ist noch ein Glättungskondensator C geschal­ tet. Die Mittelfrequenz wird über einen Transformator TR den Verbrau­ chern zugeführt. Die Mittelfrequenzspannung kann z. B. auf 60 Volt herabgesetzt und den Verbrauchern zugeführt werden.

Beispiel 2

Für den Einsatz in konventionellen Fahrzeugen wird die Fahrzeugbatte­ rie und der Primärstromrichter entfallen können und durch die Kombi­ nation Starter/Generator mit zugehörigem Stromrichter ersetzt.

Fig. 4 zeigt den Prinzipschaltplan des Systems. Dabei ist das System Starter/Generator eine Einheit mit hohem Wirkungsgrad, welcher durch die hohe Zwischenkreisspannung bedingt ist. Das gesamte System wird als gemeinsamer Elektronikmodul aufgebaut und besitzt einen geringen Verdrahtungsaufwand. Für den Batteriestromrichter 2 wäre es sinnvoll, eine höhere Batteriespannung mit einer entsprechend geringen Entla­ destromstärke zu wählen. Ein Vorteil der bei den hier vorgeschlagenen Lösung immer wieder ins Spiel kommt, ist die geringe zu steuernde Stromstärke, was besonders bei den Halbleitern zu geringen Kosten bzw. einer hohen Lebensdauer führt. Der Strom beträgt im Zwischenkreis höchstens 5 bis 6 A. Da bei 12 V ein Strom bis zu 150 A fließen würde, und die Verluste an der Gleichstrommaschine entsprechend hoch sind, verfügt ein solches System über einen demgegenüber wesentlich höheren Wirkungsgrad und verlängert die Lebensdauer der Fahrzeugbatterie.

Aus Fig. 3 und Fig. 4 ist zu erkennen, daß die verschiedenen Fahr­ zeugtypen mit Schaltungen in Modulbauweise ausgerüstet werden. Das ist ein weiterer Vorteil, der insbesondere für die Wirtschaftlichkeit die­ ser Lösung spricht.

Der bisher beschriebene Stromrichtertyp kann als Reihenschwingkreis-Strom­ richter mit zweipulsigem Rückarbeitsgleichrichter bezeichnet wer­ den.

Beispiel 3

In Fig. 5 ist ein Steuergerät dargestellt, welches aus dem gemessenen Strom I, welcher in den Mittelfrequenztransformator TR fließt und der Spannung U, welche an der Traktionsbatterie TB anliegt, Signale abgeleitet, welche die Transistoren der Schaltbrücke ansteuern. Wenn die Spannung U niedriger als die Sollspannung U_s ist, werden die Halbleiterventile länger geöffnet.

Die Schaltbrücke ist hier nur als Halbbrücke ausgeführt, was ebenso möglich ist wie die Vollbrücke, nur braucht man zusätzlich noch zwei Speicherkondensatoren C, welche einen kapazitiven Spannungsteiler bilden. Die im Schwingkreis entstehende Mittelfrequenz wird durch den Transformator TR auf das Netz übertragen, welches hier nicht dargestellt ist. Bei der symmetrischen Brücke nach Fig. 1 oder 4 hat man zwei Zweige, die jeweils positiv oder negativ schalten.

Bei der Halbbrücke hat man den Vorteil, daß der Aufwand an Transistoren nur halb so groß ist. Bei gleicher Leistung ist der Strom durch die Halbleiter allerdings doppelt so groß. Der Nachteil gegenüber der Doppelbrückenschaltung ist die schlechtere Regelbarkeit. Die Doppelbrücke im Zentralstromrichter kann in jedem der hier aufgeführten Beispiele durch eine Halbbrückenschaltung ersetzt werden.

Die bisher behandelten Schaltungen funktionieren nur mit einem streuarmen Transformator, der sehr aufwendig zu fertigen ist. Wenn der Transformator nicht extrem streuarm ist, muß man zu besonderen Maßnahmen greifen.

Beispiel 4

Der Transformator wird entsprechend der Fig. 6 folgendermaßen abgeändert: Er erhält drei Wicklungen, die Primärwicklung W1, die Sekundärwicklung W2 und eine Wicklung W3, weiche auf die Wicklung W2 mit sehr geringem Abstand aufgebracht ist, so daß die magnetische Kopplung zwischen diesen beiden Wicklungen sehr eng ist. Zum gezielten Einstellen der Streuung wird ein weiterer Kern K2 hinzugenommen, weicher über einen variablen Luftspalt d an den Hauptkern K1 gekoppelt ist. Der Hauptfluß Φ_H durchsetzt alle drei Wicklungen, wobei der Streufluß Φ_s nur durch den Kern K2 geht. L_s ist die Reiheninduktivität für den Serienschwingkreis. Der Vorteil ist der, daß man keine aufwendige Spule benötigt. Die Klemmwicklung besteht lediglich aus sehr dünnem Kupferdraht, der thermisch nur für die Rückarbeitsleistung ausgelegt ist. Es ist magnetische Energie im Streufluß gespeichert, welche nicht mit dem Hauptfluß verknüpft ist. Dadurch wird die Induktivität L′ im Reihenschwingkreis von Fig. 5 dargestellt.

Im linken Teil der Fig. 6 ist ein Batteriestromrichter gezeichnet. Bei Ausfall der Traktionsbatterie TB wird das Mittelfrequenznetz über den Batteriestromrichter aus der Pufferbatterie PB gespeist. Damit können im Notfall wichtige Funktionen aufrecht erhalten werden. Der Batteriestromrichter kann Energie in beiden Richtungen transportieren. Einmal wird aus der Pufferbatterie Energie entnommen, in einen hochfrequenten Wechselstrom umgewandelt und über den Transformator zu den Verbrauchern geschaltet. Der Mittelfrequenz-Bordnetzstromrichter hat die Aufgabe, die Spannung als Rechteckspannung zu formen. Er läuft immer mit, um die Regelung der Mittelfrequenzspannung sicherzustellen.

Wenn der Batteriestromrichter 2 Energie ins Netz speist, wird im Mittelfrequenz-Netzstromrichter 3 eine Rechteckspannung konstanter Amplitude erzeugt. Die Spannungszeitflächen vor und hinter dem Mittelfrequenz-Stromrichter müssen gleich sein.

Die Batteriespannung hingegen schwankt. Man muß Stromrichter 1 geregelt betreiben, damit man die Möglichkeit hat, das Mittelfrequenznetz auf konstanter Spannung zu halten. Dazu werden die Kondensatoren-Puffer des Netzstromrichters auf konstante Spannung geregelt. Die Energie kann im Fehlerfall über die Hauptwicklung W3 des Transformators geschickt werden. Im Normalfall, d. h. wenn die Traktionsbatterie TB in Ordnung ist, dient der in der Fig. 6 ganz links dargestellte Ladekreis nur dazu, die Pufferbatterie PB zu laden.

Beispiel 5

Fig. 7 zeigt eine Halbbrückenschaltung in der Ausführungsform mit Streutransformator. Bezüglich der Halbbrückenschaltung gilt das zu Fig. 5 gesagte. Die Funktion des Streutransformators ist zu dem in Beispiel 4 gesagten analog.

In Fig. 8 ist der Streutransformator in halbschematischer Ansicht wiedergegeben.

Claims (13)

1. Wechselspannungsbordnetz mit einem Brückenwechselrichter, wel­ cher auf einen Schwingkreis arbeitet und mit einer mittelfrequen­ ten Steuerspannung in Resonanz erregt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung mit einem Serienschwingkreis im Brückenzweig arbeitet und daß der Ausgang des Serienschwingkreises mit einer als Spannungsbegrenzung arbeitenden Diodenanordnung (DR1 . . . DR4) beschaltet ist.

2. Wechselspannungsbordnetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Schwingkreisspeicher gespeicherte Energie bei einem Lastabwurf wieder der Gleichspannungsquelle zugeführt wird.

3. Wechselspannungsbordnetz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Normalbetrieb die Dioden (DR1 . . . DR4) zur Spannungsbegrenzung nicht leiten.

4 Wechselspannungsbordnetz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mittelfrequente Spannung durch einen Transformator (TR) mit einem Faktor 5 bis 40 herabtransformiert wird.

5. Wechselspannungsbordnetz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (TR) als Streutransformator (TS) ausgebildet ist.

6. Wechselspannungsbordnetz nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Streutransformator (TS) außer der Primärwicklung (W1) und der Sekundärwicklung (W2) eine Klemmwicklung (W3) aufweist, die mit geringem Abstand auf die Sekundärwicklung (W2) aufgebracht ist.

7. Wechselspannungsbordnetz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Brückenwechselrichter in Halbbrückenschaltung ausgeführt ist.

8. Wechselspannungsbordnetz nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Brückenwechselrichter in Doppelbrückenschaltung ausgeführt ist.

9. Wechselspannungsbordnetz nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ladung der Traktionsbatterie das Mittelfrequenznetz benutzt wird.

10. Wechselspannungsbordnetz nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn ein Verbraucher Energie zurückspeist, die Dioden leitfähig werden.

11. Wechselspannungsbordnetz nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungselektronik vom Bordnetz galvanisch getrennt ist.

12. Verwendung eines Stromrichterbauelements für ein Bordnetz nach Anspruch 1 für den Einsatz in der Spannungsversorgung der Traktion in einem Elektrofahrzeug.

13. Verwendung eines Stromrichterbauelements nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung als Stromrichter zur Versorgung einer Kombina­ tion aus Starter und Generator in einem Fahrzeug.