DE69505944T2 - Elektronische Energieumwandlungsschaltung und diese benutzende Stromversorgungsanlage - Google Patents

Elektronische Energieumwandlungsschaltung und diese benutzende Stromversorgungsanlage

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft elektronische Vorrichtungen zur Umwandlung elektrischer Energie des Typs, der in der Patentanmeldung FR - 2 679 715 A1 beschrieben ist, und eine diese benutzende Stromversorgungsanlage.
  • Der in dieser Patentanmeldung beschriebene Wandler ist in der beigefügten Fig. 1 als Beispiel dargestellt. Er umfaßt im wesentlichen zwischen einer Spannungsquelle SE und einer Stromquelle C eine Folge von steuerbaren Umschalt- bzw. Stromwendezellen CL1, CL2 ..., CLn, wobei jede zwei Schalter T1, T'1; T2, T'2 ...; Tn, T'n aufweist, wobei ein Pol jedes der beiden Schalter ein stromaufwärtiges Polpaar bildet und der andere Pol jedes der Schalter ein stromabwärtiges Polpaar bildet, wobei das stromabwärtige Polpaar einer stromaufwärtigen Zelle mit dem stromaufwärtigen Polpaar einer stromabwärtigen Zelle verbunden ist und das stromaufwärtige Polpaar einer ersten Zelle CL1 mit der Stromquelle C verbunden ist, während das stromabwärtige Polpaar einer letzten Zelle CLn mit der Spannungsquelle SE verbunden ist, wobei dieser Wandler noch einen Kondensator C1, C2 ..., Cn für jede Zelle, nur daß der der letzten weggelassen werden kann, wenn die Spannungsquelle SE, zwischen den beiden Polen des stromabwärtigen Polpaares der Zelle angeschlossen, fähig ist, dabei die Rolle zu spielen, sowie Steuermittel (nicht dargestellt) umfaßt, die die nominale Funktion des Wandlers regeln, indem sie auf die Schalter der aufeinanderfolgenden Zellen einwirken, so daß die beiden Schalter derselben Zelle sich immer entsprechend in den entgegengesetzten Leitungszuständen befinden (was durch Steuerverbindungen wie 1c1 dargestellt ist), so daß sich einer der beiden Schalter derselben Zelle in Antwort auf ein Zellensteuersignal, das von den Steuermitteln geliefert wird, während einer zyklisch wiederholten Wandlerperiode nacheinander in einem ersten Leitungszustand, dann in einem zweiten Leitungszustand befindet und daß die Schalter der aufeinanderfolgenden Zellen in Antwort auf Zellensteuersignale, die gleich aber in der Zeit um einen Bruchteil der Wandlerperiode versetzt sind, entsprechend die gleiche Funktion haben, aber in der Zeit um den Periodenbruchteil versetzt.
  • Vorzugsweise ist der Periodenbruchteil gleich dem Inversen der Anzahl n der Zellen, nämlich 2π/n, was optimal ist, was die am Ausgang erzeugten Harmonischen betrifft, und ein natürliches Gleichgewicht der Ladungsspannungen der Kondensatoren des Wandlers gestattet. Es ist jedoch eine weitere Versetzung vorstellbar.
  • Bei einem solchen Wandler haben die aufeinanderfolgenden Kondensatoren C1, C2 ..., Cn entsprechend zunehmende mittlere Ladungsspannungen, wobei die mittlere Ladungsspannung des zu einer der Zellen gehörigen Kondensators gleich dem Produkt einer von der Spannungsquelle SE stammenden Spannung VE, des Inversen der. Anzahl von Zellen des Wandlers und des Ranges der Zelle ist, nämlich VE/3, 2VE/3, VE, wenn n = 3, d. h. wenn der Wandler nur drei Zellen hat.
  • Im folgenden wird ein Wandler, der der vorhergehenden Beschreibung entspricht, Mehrstufenwandler genannt.
  • Der Vorteil eines solchen Wandlers ist, daß bei normaler Funktion die Schalter nur jeweils einen Bruchteil der maximalen Spannung tragen, der der Wandler ausgesetzt ist, d. h. diejenige, die der Differenz der Ladungsspannungen der beiden Kondensatoren der beiden benachbarten Zellen entspricht. Man kann so für diese Schalter weniger teure und/oder schnellere Komponenten einsetzen; in diesem letzteren Fall gestattet dies, einen Wandler auszuführen, dessen Arbeitsfrequenz höher ist, was von großem praktischem Interesse ist.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, derart zu verfahren, daß die Kondensatoren jeweils die nominalen Ladungsspannungen schnell erlangen, sobald die Spannungsquelle den Wandler speist.
  • Tatsächlich ist das Arbeitsprinzip des Wandlers so, daß wenn die nominale Ladungsspannung eines Kondensators höher ist als sie sein soll, dieser mehr Strom an die Stromquelle liefert, was dazu beiträgt, seine Ladungsspannung auf ihren nominalen Wert zu bringen. Dieser Prozeß ist jedoch relativ langsam, insbesondere wenn der Strom in der Stromquelle schwach ist. Angewandt auf Bedingungen, in denen die Spannungsquelle, die anfangs inaktiv war, die Versorgungsspannung des Wandlers plötzlich aufbaut, bedeutet das, daß während eines relativ langen Zeitraums die Schalter unnormal erhöhten Spannungen ausgesetzt sind.
  • Es ist jedoch wichtig, daß unter diesen Bedingungen wie bei normaler Funktion die Schalter sogar vorübergehend nicht übermäßigen Spannungen ausgesetzt werden, weil sie das beschädigen könnte.
  • Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Wandler Steuermittel umfaßt, die so angeordnet sind, daß sie die Spannung der Spannungsquelle bestimmen, sobald diese kleiner als eine bestimmte Schwelle ist, um die nominale Funktion des Wandlers zu unterbrechen und auf die Schalter derart einzuwirken, daß wenn die Spannung der Spannungsquelle einen Wert hat, der zwischen Null und einer Spannung liegt, die der nominalen Ladungsspannung des Kondensators mit der niedrigsten nominalen Ladungsspannung entspricht, sie alle Kondensatoren des Wandler auflädt, wenn diese Spannung der Spannungsquelle die niedrigste nominale Ladungspannung übersteigt, der unter dieser letzteren Spannung nominal geladene Kondensator außerhalb der Schaltung gesetzt wird, wobei die Spannung der Spannungsquelle fortfährt, die Kondensatoren mit höheren nominalen Ladungspannungen aufzula den, wenn die Spannung der Spannungsquelle die unmittelbar höhere nominale Kondensatorladungsspannung übersteigt, der unter letzteren Spannung nominal geladene Kondensator wiederum außerhalb der Schaltung gesetzt wird, und so weiter, bis alle Kondensatoren des Wandlers unter ihren jeweiligen nominalen Ladungsspannungen aufgeladen wurden, wonach die Steuermittel die nominale Funktion des Wandlers errichten.
  • Bei einer Ausführungsform des Wandlers wirken die Steuermittel derart auf die Schalter ein, daß anfangs die beiden Schalter aller Zellen zugleich geschlossen sind, außer denen der ersten Zelle, die sich in einem anderen Zustand befinden, wonach entsprechend der Erhöhung der Spannung der Spannungsquelle die beiden Schalter der folgenden aufeinanderfolgenden Zellen Zelle für Zelle in den anderen Zustand gebracht werden.
  • Die Erfindung zielt auch auf eine Anlage, die von einem solchen Wandler Gebrauch macht und die bei Bedarf so angeordnet ist, daß der Aufbau der Spannung der Spannungsquelle eine für den eingesetzten Wandler geeignete Progressivität aufweist.
  • Die verschiedenen Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung zeigen sich deutlicher in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsmodi der Erfindung, die als nicht begrenzende Beispiele gegeben sind, unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren, die darstellen:
  • Fig. 1, die bereits beschrieben wurde, das Prinzipschaltbild eines bekannten Mehrstufenwandlers,
  • Fig. 2 das Prinzipschaltbild von Steuermitteln eines Mehrstufenwandlers des Typs der Fig. 1, die so angeordnet sind, daß die Ausführung der Erfindung gestattet wird,
  • Fig. 3 das Prinzipschaltbild von Bestimmungsmitteln für die Kondensatorladungsspannung, die in der Vorrichtung der Fig. 4 verwendbar sind.
  • Wir werden nicht auf die Beschreibung eines Mehrstufenwandlers zurückkommen. Das Schema der Fig. 1 entspricht einem Wandler des Typs, der in der Patentschrift FR - 2 697 715 A1 beschrieben ist, auf die der Leser für ausführlichere Einzelheiten verwiesen wird.
  • Fig. 2 stellt von dem Wandler der Fig. 1 nur die Kondensatoren C1, C2 ..., Cn dar.
  • Jedem der Kondensatoren ist erfindungsgemäß eine Bestimmungseinrichtung VMO1, VMO2 ..., VMOn zugeordnet, die gestattet, die Spannung an den Anschlußklemmen jedes der Kondensatoren zu bestimmen. Zu diesem Zweck ist diese Einrichtung mit den beiden Anschlußklemmen des Kondensators verbunden. Sie liefert ein Bestimmungssignal VO1, VO2 ..., VOn, das die an den Anschlußklemmen des Kondensators vorhandene Spannung ausdrückt.
  • Unter Bezugnahme auf Fig. 3 besteht diese Bestimmungseinrichtung nach einer Ausführungsform aus Impedanzen ptk1 und ptk2, die zwischen den Anschlüssen des Kondensators Ck in Serie angeschlossen sind und einen bestimmten Bruchteil der Spannung an den Anschlußklemmen dieses Kondensators an einen Analog/Digitalwandler CAN liefern, der zu jedem Impuls fk einen digitalen Spannungswert liefert, der von einer von einem Signal gk getriggerten Tor- bzw. Gatterschaltung PVK gelesen wird. Die Signale fk und gk werden vorteilhafterweise von einer Zeitbasis BT erzeugt (Fig. 2).
  • Mit jedem der Kondensatoren ist erfindungsgemäß auch eine Einrichtung VE1, VE2 ..., VEn zur Feststellung einer Abweichung verbunden, die gestattet, eine eventuelle Abweichung zwischen der beobachten Ladungsspannung, die er von der ent sprechenden Bestimmungseinrichtung erhält, und der nominalen Ladungsspannung dieses Kondensators festzustellen. Diese Einrichtung zur Feststellung einer Abweichung berechnet selbst die nominale Ladungsspannung dieses Kondensators, die der Bruchteil 1/n, wobei n die Anzahl der Stufen des Wandlers ist, der Spannung VE der Spannungsquelle SE, multipliziert mit dem Rang R der Stufe ist. Diese Einrichtung empfängt somit die Werte VE und R, wobei der Wert n, eine Konstante des Aufbaus des Wandlers, in jeder Einrichtung verdrahtet (câblée) ist (der Wert R, eine Konstante jeder Stufe, könnte außerdem auch verdrahtet sein). Sie leitet daraus die nominale Ladungsspannung VE. R/n her und vergleicht sie mit der bestimmten Ladungsspannung, um ein Abweichungssignal VEC1, VEC2..., VECn zu liefern, das die Differenz zwischen diesen beiden Spannungen kennzeichnet. Dieses Abweichungssignal kann ein einfaches logisches Signal (mit zwei Bits) sein, das nur das Vorhandensein einer Abweichung und ihr Vorzeichen kennzeichnet. Vorteilhafterweise wird aus Gründen, die sich später zeigen, ein Abweichungssignal nur geliefert, wenn die Ladungsabweichung des Kondensators eine vorbestimmte Schwelle übersteigt, die in der Vorrichtung zur Feststellung einer Abweichung verdrahtet ist.
  • Die Steuermittel der Fig. 2 umfassen außerdem Steuermodule MC1, MC2 ..., MCn, die in Antwort auf Triggersignale sd1, sd2 ..., sdn arbeiten. Bei jeder Wandlerperiode erzeugt die Zeitbasis BT ein Signal sd, welches direkt das Signal sd1 und dank der Verzögerungseinheiten R2 ..., Rn in der Zeit versetzte Signale sd2 ..., sdn liefert. Die Steuermodule MC1, MC2 ..., MCn haben im wesentlichen die Funktion, während jeder Wandlerperiode einen Steuerimpuls zu erzeugen, der in einem aktiven Zustand Signale CT1, CT2 ..., CTn trägt, die die Schalter des Wandlers steuern. Die nominale Dauer dieses Impulses ist in jedem Fall hauptsächlich durch den Wert VE der von der Spannungsquelle gelieferten Spannung und durch die Höhe der an die Stromquelle zu liefernden Spannung be stimmt. Dieser Aspekt der Funktion des Wandlers, der das Gebiet der vorliegenden Erfindung verläßt, wird nicht weiter beschrieben.
  • Diese Steuerimpulse auf aktiver Höhe werden jeweils direkt an die Schalter T'1, T'2..., T'n adressiert, um sie zu sperren, und werden an NOR-Gatter pe1, pe2 ..., pen geliefert, welche unabhängig von den Niveaus ihres anderen Eingangs dann jeweils das entgegengesetzte Niveau, inaktiv genannt, liefern, um dann die Schalter T1, T2 ..., Tn leitend zu machen.
  • Während der normalen Funktion des Wandlers sind somit die Zustände der beiden Schalter jedes Paares T1, T'1; T2, T'2 ...; Tn, T'n immer entgegengesetzt, wie vorher angegeben.
  • Außerdem umfaßt erfindungsgemäß der Wandler Steuermittel, die sich gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 im wesentlichen in der Zeitbasis BT befinden, die dauernd eine Bestimmung der Spannung der Spannungsquelle des Wandlers in Form des Abweichungssignals VECn empfängt und die sobald diese Spannung geringer als eine bestimmte Schwelle ist, die nominale Funktion des Wandlers unterbricht.
  • Da ja in der Tat das Signal VECn die Ladungspannung des Kondensators Cn betrifft, betrifft es außerdem gleichzeitig die Spannung der Spannungsquelle. In der Praxis, wo diese Spannung mit ihrem nominalen Wert vorhanden ist und die nominale Funktion des Wandlers errichtet werden muß, wo diese Spannung nicht mit ihrem nominalen Wert vorhanden ist, wobei ihr Wert so wie bei der Rückkehr zur Normalen bzw. zum Mittelwert ist, könnte ohne die Erfindung ein Übersteigen der Betriebsspannung der Schalter auftreten, und dann soll die normale Funktion des Wandlers nicht fortgesetzt werden; das zeigt sich deutlicher im folgenden.
  • Folglich unterdrückt die Zeitbasis BT, die feststellt, daß die Spannung der Spannungsquelle nicht ausreicht, jedes Signal sd und liefert statt dessen ein kontinuierliches Signal at.
  • Aufgrund des Nichtvorhandenseins des Signals sd, bleiben die Signale CT1, CT2 ..., CTn im inaktiven Zustand, der die Schalter T'1, T'2 .., T'n leitend macht.
  • Das Signal at gibt die Warteeinrichtungen DA1, DA2 ..., DAn-1 (nicht dargestellt) frei. Jede von ihnen beobachtet das entsprechende Abweichungssignal VEC1, VEC2... und liefert, solange die mittlere Ladungsspannung des entsprechenden Kondensators noch nicht so ist, daß das Abweichungssignal Null wird, ein Ladungssteuersignal DR1', DR2' ... an das Gatter pe2 ..., pen der Stromwendezelle mit dem unmittelbar höheren Rang.
  • Daraus folgt dann für jede Zelle, wenn kein Kondensator ausreichend geladen ist, daß der Schalter T'2 ... T'n bereits geschlossen ist, der Schalter T2 ..., Tn ist es auch. Unter Bezugnahme auf Fig. 1 sieht man deutlich, daß alle Kondensatoren so mit den Anschlußklemmen der Spannungswelle parallel verbunden sind. Sobald die Spannung der Spannungsquelle aufgebaut ist, laden sich somit alle Kondensatoren parallel auf.
  • Wenn dann der Kondensator C1 seine nominale Ladung erreicht, verschwindet das Abweichungssignal VEC1, die Einrichtung DA1 unterdrückt das Ladungssteuersignal DR'1 und der Schalter T2 sperrt, was die Aufladung des Kondensators C1 unterbricht, während sie sich für die anderen Kondensatoren fortsetzt.
  • Wenn der Kondensator C2 wiederum ausreichend aufgeladen ist, wird das entsprechende Abweichungssignal VEC2 Null und die Einrichtung DA2 unterdrückt das Signal DR2', was einen nicht dargestellten Schalter T3 sperrt, und so weiter, bis der nicht dargestellte Kondensator Cn-1 aufgeladen ist, was den Schalter Tn sperrt.
  • Wenn schließlich die Aufladung des Kondensators Cn vollständig ist, unterdrückt die Zeitbasis, die sieht, daß das Abweichungssignal VECn Null wird, das kontinuierliche Signal at und errichtet die nominale Funktion des Wandlers, indem sie ein periodisches Signal sd erzeugt.
  • Es ist klar, daß eine Variante des vorhergehenden darin besteht, nicht jeweils die beobachteten Ladungsspannungen der Kondensatoren einzeln mit der nominalen Ladungsspannung dieses Kondensators sondern nur die Spannung der Spannungsquelle mit verschiedenen nominalen Ladungsspannungen zu vergleichen; diese Variante wäre wirtschaftlicher.
  • Selbstverständlich basiert das vorhergehende auf der Annahme, daß der Aufbau der Spannung der Spannungsquelle ausreichend progressiv ist, um die beschriebene Funktion zu gestatten.
  • Diese Annahme ist üblicherweise gültig, weil sie fast immer einen Filter umfaßt, der die Steilheit bzw. Steigung des Aufbaus des Stromes begrenzt. Es kann sich auch um ein Wechselspannungs-Versorgungsnetz handeln, und die Zeitkonstanten, denen man dort begegnet, liegen im allgemeinen in der Größenordnung von einem Viertel der Periode, nämlich 5 ms bei 50 Hz, einer viel höheren Dauer als die Arbeitsperiode des Wandlers.
  • Schließlich fügt man im Bedarfsfall erfindungsgemäß solche Mittel mit Zeitkonstante hinzu, daß der Aufbau der Spannung der Spannungsquelle eine für den eingesetzten Wandler geeignete Progressivität hat.
  • Außerdem ist es erwünscht, daß die Bestimmung der Ladungspannung der Kondensatoren des Wandlers auch so schnell wie möglich erfolgt. Die im Zusammenhang mit Fig. 3 beschriebene Lösung, die den Vorteil hat, eine digitale Verarbeitung zu gestatten, ist in dieser Hinsicht nicht optimal. Eine analoge Variante, bei der die von der Spannungsteilerbrücke stammende Spannung mit einer Bezugsspannung vergleichen wird, um eine elektronische Kippschaltung zu betätigen, kann bevorzugt sein.
  • Es muß noch erwähnt werden, daß es unter Berücksichtigung der Abweichungen in den Parametern der verschiedenen Schaltungen erwünscht ist, daß der Vergleich zwischen der beobachteten Kondensatorladungsspannung und der entsprechenden Bezugsgröße eine Fehlergrenze in Form einer Schwelle einschließt, unterhalb welcher das Abweichungssignal nicht geliefert wird.
  • Es ist offensichtlich, daß die vorhergehenden Beschreibungen nur als begrenzende Beispiele gegeben wurden, und daß sich insbesondere die Zahlenwerte mit jeder Anwendung ändern können.

Claims (3)

1. Mehrstufenwandler, der insbesondere zwischen einer Spannungsquelle (SE) und einer Stromquelle (C) eine Folge von steuerbaren Stromwendezellen (CL1, CL2 ..., CLn) umfaßt, wobei jede zwei Schalter (T1, T'1; T2, T'2 ...; Tn, T'n) aufweist, wobei ein Pol jedes der beiden Schalter ein stromaufwärtiges Polpaar und der andere Pol jedes der Schalter ein stromabwärtiges Polpaar bildet, wobei das stromabwärtige Polpaar einer stromaufwärtigen Zelle mit dem stromaufwärtigen Polpaar einer stromabwärtigen Zelle verbunden ist und das stromaufwärtige Polpaar einer ersten Zelle (CL1) mit der Stromquelle (C) verbunden ist, während das stromabwärtige Polpaar einer letzten Zelle (CLn) mit der Spannungsquelle (SE) verbunden ist, wobei dieser Wandler noch einen Kondensator (C1, C2 ..., Cn) für jede Zelle, nur daß der der letzten weggelassen werden kann, wenn die Spannungsquelle (SE), zwischen den beiden Polen des stromabwärtigen Polpaares der Zelle angeschlossen, fähig ist, dabei die Rolle zu spielen, sowie Steuermittel umfaßt, die die nominale Funktion des Wandlers regeln, indem sie auf die Schalter der aufeinanderfolgenden Zellen einwirken, so daß die beiden Schalter derselben Zelle sich immer entsprechend in den entgegengesetzten Leitungszuständen befinden, so daß sich einer der beiden Schalter derselben Zelle in Antwort auf ein Zellensteuersignal (CT1, CT2 ..., CTn), das von den Steuermitteln geliefert wird, während einer zyklisch wiederholten Periode nacheinander in einem ersten Leitungszustand, dann in einem zweiten Leitungszustand befindet und daß die Schalter der aufeinanderfolgenden Zellen in Antwort auf Zellensteuersignale, die gleich aber in der Zeit um einen Bruchteil der Periode versetzt sind, entsprechend die gleiche Funktion haben, aber in der Zeit um den Periodenbruchteil versetzt, wobei die aufeinanderfolgenden Kondensatoren (C1, C2 ..., Cn) nominal jeweils zunehmende Ladungsspannungen aufweisen, wobei die nominale Ladungsspannung des Kondensators jeder der Zellen gleich dem Produkt einer von der Spannungsquelle (SE) stammenden Spannung (VE) mit dem Inversen der Anzahl der Zellen und dem Rang der Zelle ist, dadurch gekennzeichnet, daß er Steuermittel (BT, DA1 ..., DAn, pe2 ..., pen) umfaßt, die so angeordnet sind, daß sie die Spannung (VECn) der Spannungsquelle des Wandlers bestimmen und, sobald sie geringer als eine bestimmte Schwelle ist, die nominale Funktion (sd) des Wandlers unterbrechen und auf die Schalter (T1, T'1; T2, T'2 ...; Tn, T'n) einwirken, so daß wenn die Spannung (VE) der Spannungsquelle (SE) einen Wert zwischen Null und einer niedrigsten Ladungsspannung hat, sie alle Kondensatoren des Wandlers auflädt, wenn diese Spannung der Spannungsquelle die niedrigste nominale Ladungsspannung übersteigt, der unter dieser letzteren Spannung nominal geladene Kondensator (C1) außerhalb der Schaltung gesetzt wird, wobei die Spannung der Spannungsquelle die Kondensatoren (C2 ..., Cn), die höhere nominale Ladungsspannungen erfordern, weiter auflädt, wenn die Spannung der Spannungsquelle die unmittelbar höhere nominale Ladungsspannung übersteigt, der unter dieser letzteren Spannung nominal geladene Kondensator (C2) wiederum außerhalb der Schaltung gesetzt wird, während die Spannung der Spannungsquelle die anderen Kondensatoren weiter auflädt, und so weiter, bis alle Kondensatoren des Wandlers unter ihren jeweiligen nominalen Ladungsspannungen geladen sind, wonach die Steuermittel die nominale Funktion des Wandlers errichten.
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel (BT, DA2 ..., DAn, pe2 ..., pen) auf die Schalter einwirken, damit für eine von Null aus zunehmende Spannung der Spannungsquelle die beiden Schalter (T1, T'1; T2, T'2 ...; Tn, T'n) aller Zellen anfangs zugleich geschlossen sind, außer denjenigen (T1, T'1) der ersten Zelle, die sich in einem anderen Zustand befinden, so daß die bei der Ladung gelieferte Spannung Null ist, wonach entsprechend der Erhöhung der Spannung der Spannungsquelle die beiden Schalter (T2, T'2 ..., Tn, T'n) der nachfolgenden aufeinanderfolgenden Zellen Zelle für Zelle in den anderen Zustand versetzt werden.
3. Anlage, die von einem Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche Gebrauch macht, dadurch gekennzeichnet, daß sie bei Bedarf so angeordnet ist, daß der Aufbau der Spannung der Spannungsquelle eine für den eingesetzten Wandler geeignete Progressivität aufweist.
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