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Die vorliegende Erfindung betrifft die elektronischen
Vorrichtungen zur Umwandlung von elektrischer Energie des in
der Patentanmeldung FR - 2 679 715 A1 beschriebenen Typs und
eine Versorgungseinrichtung, die davon Gebrauch macht.
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Der in dieser Patentanmeldung beschriebene Wandler ist als
Beispiel durch die beigefügte Fig. 1 dargestellt. Er umfaßt
im wesentlichen zwischen einer Spannungsquelle SE und einer
Stromquelle C eine Vielzahl von steuerbaren Umschaltzellen
CL1, CL2..., CLn, die jeweils zwei Unterbrecher T1, T'1; T2,
T'2...; Tn, T'n aufweisen, wobei ein Pol von jedem der
beiden Unterbrecher ein stromäufwärtiges Polpaär bildet und der
andere Pol von jedem der Unterbrecher 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 für jede Zelle noch einen Kondensator
C1, C2..., Cn umfaßt, außer daß derjenige der letzten
weggelassen werden kann, wenn die Spannungsquelle SE geeignet
ist, die Rolle zu spielen, der zwischen den beiden Polen des
stromabwärtigen Polpaars der Zelle angeschlossen ist, sowie
Steuermittel (nicht dargestellt) umfaßt, die den
Nominalbetrieb des Wandlers regeln, in dem sie auf die Unterbrecher
der aufeinanderfolgenden Zellen derart wirken, daß die
beiden Unterbrecher derselben Zelle sich immer jeweils in den
entgegengesetzten Leitungszuständen befinden (was durch
Steuerverbindungen, wie lc1, dargestellt ist), so daß in
Antwort auf ein von den Steuermitteln geliefertes
Zellensteuersignal der eine der beiden Unterbrecher derselben
Zelle sich während einer zyklisch wiederholten
Wandlerperiode nacheinander in einem ersten Leitungszustand, dann in
einem zweiten Leitungszustand befindet, und so daß die
Unterbrecher der aufeinanderfolgenden Zellen in Antwort auf
gleiche Zellensteuersignale, die aber in der Zeit um einen
Bruchteil der Wandlerperiode versetzt sind, nacheinander
jeweils die gleiche Funktion haben, aber in der Zeit um den
Bruchteil der Periode versetzt.
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Vorzugsweise ist der Bruchteil der Periode gleich dem
Inversen der Anzahl n von Zellen, nämlich 27 cm, was optimal ist,
was die auf dem Ausgang erzeugten harmonischen betrifft, und
gestattet einen natürlichen Ausgleich der Ladespannungen der
Kondensatoren des Wandlers. Es ist jedoch eine andere
Versetzung denkbar, ebenso wie verschiedene Versetzungen
zwischen den verschiedenen Stufen.
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Bei einem solchen Wandler haben die aufeinanderfolgenden
Kondensatoren C1, C2..., Cn jeweils wachsende mittlere
Ladespannungen, wobei die mittlere Ladespannung des zu jeder der
Zellen gehörigen Kondensators gleich dem Produkt einer von
der Spannungsquelle SE stammenden Spannung VE, dem Inversen
der Anzahl von Zellen des Wandlers und dem Rang der Zelle
ist, nämlich VE/3, 2VE/3, VE, wenn n = 3, d. h. wenn der
Wandler nur drei Zellen hat.
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Selbstverständlich läßt sich das Vorhergehende von dem
Moment an, wo es wenigstens zwei gibt, für andere Werte von n,
insbesondere für mehr als drei Zellen, anwenden.
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Im folgenden wird ein Wandler, der die vorhergehende
Beschreibung erfüllt, Mehrebenenwandler genannt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, es so
einzurichten, daß bei einem solchen Mehrebenenwandler die Ladung
jedes Kondensators trotz der unvermeidlichen Abweichungen im
Verhältnis zu den nominalen Betriebsbedingungen mit dem
übereinstimmend bleibt, was gerade beschrieben wurde.
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Um leichter zu untersuchen, wie sich die Ladung eines der
Kondensatoren eines Mehrebenenwandlers gemäß dem
Vorherge
henden nominal entwickeln muß, wird auf Fig. 2
Bezuggenommen, die irgendeine Umschaltzelle CLk mit ihren
Unterbrechern Tk, T'k, den zu dieser Zelle gehörigen Kondensator Ck
sowie die folgende Zelle CLk+1 mit ihren Unterbrechern Tk+1,
T'k+1 darstellt.
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Unter Berücksichtigung der Verbindung zwischen den
Unterbrechern jeder Zelle, Tk, T'k; Tk+1, T'k+1, besitzt der in Figur.
2 dargestellte Aufbau aus zwei verschachtelten Zellen Tk-
Tk+1 vier Zustände:
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a) einen ersten Zustand, in dem sich, da Tk und Tk+1
blockiert sind, die Ladespannung Ck nicht aufbaut;
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b) einen zweiten Zustand, in dem sich, da Tk und Tk+1
leitend sind, sich die Ladespannung von Ck nicht mehr
aufbaut, weil dann T'k und T'k+1 blockiert sind;
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c) einen dritten Zustand, in dem, da Tk leitend und Tk+1
blockiert ist, die Stromquelle C durch Tk hindurch einen
Strom Ik gleich I auferlegt, während der Strom I'k zu T'k
hin null ist. Der Zustand von Tk+1 erlegt einen Strom
Ik+l von null auf, während der Strom I'k+1 gleich I ist,
während der Strom I'ck im Kondensator Ck gleich I ist;
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d) einen vierten Zustand, in dem, da Tk blockiert und Tk+1
leitend ist, die Stromquelle C durch T'k hindurch einen
Strom I'k+1 gleich I auferlegt, während der Strom Ik
durch Tk hindurch null ist. Der Zustand von Tk+1 erlegt
einen Strom Ik+1 gleich I auf, während der Strom I'k+1
null ist, während der Strom Ick im Kondensator Ck gleich
I ist.
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Im dritten und vierten Zustand oben führen die Ströme I'ck =
I'k+1 und Ick = Ik+1 dem Kondensator Ck entgegengesetzte
zusätzliche Ladungen zu; man sagt, daß die ersten negativ und
die zweiten positiv sind. Die diesen beiden Zuständen
entsprechenden Ströme werden von der Stromquelle auferlegt.
Wenn die Stromquelle streng kontinuierlich ist, wobei sonst
alle Dinge gleich sind, sind die von der Stromquelle in den
Phasen c) und d) auferlegten Ströme die gleichen und haben
zu jedem Zeitpunkt in der Länge des Leitungsintervalls von
Tk und Tk+1 (nominal gleich und in der Zeit versetzt, wie
weiter oben angegeben) entgegengesetzte Richtungen. Dies
bewirkt, daß sich die Ladung von Ck, die mit gleichen Mengen
negativ, dann positiv modifiziert wird, während einer
Wandlerperiode nicht ändert.
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Bei einem idealen System (perfekte Stromquelle, unendliche
Impendanz) sind die Ströme Ick und I'ck durch die
Stromquelle bestimmt. Wenn konkreter die Impedanz der Stromquelle
nicht unendlich ist, hängt der Strom der Stromquelle von der
Spannung an ihren Anschlußklemmen und somit von den
Spannungen Vck der Kondensatoren ab. Wenn es geschieht, daß die
Ladespannung Vck im Verhältnis zu ihrem Nominalwert VE.k/n
beispielsweise sehr hoch ist, was auch immer der Grund sein
mag, führt dies zu einem Entladestrom I'ck, der dazu neigt,
stärker zu sein, und einem Ladestrom Ick, der dazu neigt,
schwächer zu sein, als sie nominal wären, was dazu neigt,
die Ladung des Kondensators Ck auf das, was sie sein soll
zurückzubringen. Dies erläutert, daß der Betrieb des
Mehrebenenwandlers stabil ist und Amplitudenvariationen in
beiden Richtungen sowohl in bezug auf die Spannungsquelle als
auch in bezug auf die Stromquelle gestattet. Im folgenden
ist zu sehen, daß dies in Begriffen der Dynamik dennoch
Probleme aufwirft.
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Fig. 3 gibt ein Beispiel des Betriebs des Mehrebenenwandlers
nach Fig. 1 und 2 in dem Fall, in dem n = 3; es wird im
Hinblick auf die Lieferung einer sinusförmig modulierten
Wechselspannung an die Stromquelle C eine Steuerung vom Typ
der PWM-Modulation angewendet, das heißt, daß während
aufeinanderfolgender Perioden p1, p2, p3... des Betriebs des
Wandlers (Linie t) die Unterbrecher T1, T2, T3 während
Intervallen mit einer Dauer, die gemäß einer Modulationswelle
der Ausgangsspannung, nachfolgend Modulierende genannt,
variiert, nacheinander leitend sind. Die entsprechenden
Unter
brecher T'1, T'2, T'3 befinden sich zu jedem Zeitpunkt in
der entgegengesetzten Position.
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Selbstverständlich gestatten andere Arten der Modulation des
Betriebs der Unterbrecher, wie es wohlbekannt ist, das
gleiche Ergebnis zu erhalten. Selbstverständlich kann der
Wandler auch ganz genauso gut dazu dienen, an die Stromquelle C
jede andere Wellenform oder eine regulierte Gleichspannung
zu liefern.
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Es wird zuerst eine Betriebsperiode p1 des Wandlers
betrachtet. Während dieser sind, wenn einer der Unterbrecher T1,
T2, T3 leitend ist, die beiden anderen blockiert; für jede
Einheit aus zwei Zellen und dem zwischen ihnen enthaltenen
Kondensator entspricht dies den weiter oben beschriebenen
Zuständen c) und d), in welchen der Kondensator nacheinander
negative zusätzliche Ladungen und positive zusätzliche
Ladungen erhält, deren Gesamtwert nominal null beträgt. Es
wird außerdem bemerkt, daß, wenn sich die verschachtelten
Zellen CL1-CL2 im Zustand d) befinden, sich die
verschachtelten Zellen CL2-CL3 im Zustand c) befinden, so daß der
Kondensator C1 positive zusätzliche Ladungen durch denselben
Strom erhält, der negative zusätzliche Ladungen an den
Kondensator C2 liefert.
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Fig. 3 stellt außerdem und als Beispiel den Betrieb des
Mehrebenenwandlers in den Perioden p2, p3, usw. dar, während
welcher sich die Leitungsdauern der Unterbrecher T1, T2, T3
verkürzen, dann verlängern, bis sie 1/3 der Periode
übersteigen, wobei sie sich dann überlappen. Die Linie VI stellt
dar, was idealerweise die von der Stromquelle übertragene
Spannung wäre, insbesondere wenn die Kondensatoren eine
derartige Kapazität hätten, daß die betrachteten zusätzlichen
Ladungen die Spannung an ihren Anschlußklemmen nicht
wesentlich veränderten. Die Spannung VI ist in Bruchteilen der
Spannung VE der Spannungsquelle SE angegeben, wobei als
Spannungsbezug der negative Pol der Spannungsquelle SE
ge
nommen wurde. Es ist zu sehen, daß diese Spannung VI
einerseits bei der Frequenz der Modulierenden einen bedeutenden
Grundzustand und andererseits bei höheren Frequenzen als der
Abreißfrequenz Harmonische mit viel geringeren Amplituden
enthält, die mit einem Tiefpaßfilter leicht beseitigt werden
können. Dieser Strom ist variabel, seine Integration durch
irgendein in der Stromquelle enthaltenes induktives Element
führt dazu, daß der Wandler einen Wechselstrom mit
sinusförmigem Verlauf an die Stromquelle liefert, dessen Periode
gleich derjenigen des Grundzustandes der Ausgangsspannung
ist.
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Der Strom variiert sinusförmig, die weiter oben betrachteten
Zustände c) und d) führen den Kondensatoren des Wandlers
keine gleichen zusätzlichen Ladungen zu, da der Strom ja
zwischen diesen beiden Zuständen die Zeit hatte zu
variieren. Diese Variation ist nur vernachlässigbar, wenn die
Betriebsperiode der Unterbrecher netto größer als die Frequenz
der Modulierenden ist.
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Außerdem ist zu erwarten, daß der an die Stromquelle
gelieferte Wechselstrom nicht streng sinusförmig sondern in
asymmetrischer Weise verzerrt ist. Ebenso machen die
Abweichungen der Ebenen in den Steuersignalen oder in den sie
hervorrufenden Signalen oder auch die Differenzen der
Umschaltzeiten zwischen den verschiedenen durchlaufenen Unterbrechern
die Leitungsdauern der Unterbrecher auf einer
Betriebsperiode des Wandlers unvermeidlich ungleich oder verschieben die
Leitungsphasen der Unterbrecher in der Zeit oder bringen
auch die Lade- und Entladeströme der Kondensatoren aus dem
Gleichgewicht. In allgemeiner Weise kann bei einem
Mehrebenenwandler des beschriebenen Typs folglich in der Praxis
nicht die Achtung der nominalen Betriebsbedingungen
gewährleistet werden, wie sie anfangs beschrieben wurden. Nun
führt eine anhaltende zusätzliche Ladungsabweichung zu einer
Abweichung in der einen oder der anderen Richtung der Ladung
eines Kondensators, somit seiner mittleren Ladespannung,
so
mit auch zu einer Verzerrung der an die Stromquelle
gelieferten Spannung bei der Betriebsfrequenz des Wandlers.
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Dieser Effekt ist durch den Verlauf VI' der Fig. 3
dargestellt, der abgesehen davon, daß der Kondensator C1
(Fig. 1) als unter einer geringeren Spannung als seiner
nominalen Ladespannung geladen angenommen wird, dem Verlauf VI
ähnlich ist; anstatt Impulse vi1, vi2, vi3 mit konstanter
Amplitude zu liefern, liefert der Wandler Impulse, wie vil',
mit verringerter Amplitude (zur besseren Lesbarkeit ist der
Maßstab übertrieben), wenn der Kondensator C1 an die
Stromquelle C seine eigene Ladespannung liefert; und Impulse, wie
vi2', mit vergrößerter Amplitude, wenn der Kondensator C1
seine eigene Spannung von derjenigen subtrahiert, die an die
Stromquelle C geliefert wird, sowie Impulse, wie vi3', mit
unveränderter Amplitude, wenn der Kondensator C1
ausgeschaltet ist. Beim Signal VI' ist leicht zu sehen, daß dies eine
störende Komponente bei der Abrißfrequenz des Wandlers mit
sich bringt.
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Eine solche störende Komponente gibt es nicht, wenn die
Kondensatoren bei ihren jeweiligen nominalen Spannungen geladen
werden. Wenn sie auftritt, ist sie im allgemeinen
nachteilig.
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Aber vor allem sind die Spannungen, denen die Unterbrecher
unterworfen sind, dann nicht mehr im wesentlichen gleich der
Differenz der nominalen Ladenspannungen der beiden
benachbarten Kondensatoren, d. h. zum Wert der Spannung der
Spannungsquelle, geteilt durch die Anzahl von Stufen des
Wandlers. Das kann diese Unterbrecher gefährden.
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Wie vorher erwähnt neigen selbstverständlich die
Ladungsabweichungen der Kondensatoren spontan dazu zurückzugehen,
aber dieser Prozeß kostet Zeit.
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Außerdem erfolgt dieser spontane Prozeß über die
Stromquelle. Er kann somit nicht Wirkung zeigen, wenn die Stromquelle
keinen Strom auferlegt, und wird auf jeden Fall verlangsamt,
wenn der Strom der Stromquelle verringert wird.
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Ausgehend von diesen Feststellungen schlägt die vorliegende
Erfindung einen Mehrebenenwandler vor, bei welchem die
Aufrechterhaltung der mittleren Ladung jedes der Kondensatoren
des Wandlers dabei ihrem nominalen Wert besser
sichergestellt ist.
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Erfindungsgemäß umfaßt der Mehrebenenwandler Mittel, um für
jeden der Kondensatoren eine eventuelle Abweichung zwischen
der ausgewerteten mittleren Ladespannung und der nominalen
mittleren Ladespannung dieses Kondensators festzustellen,
sowie komplementäre Steuermittel, die die Dauer des ersten
Leitungszustandes der zum Kondensator gehörigen Zelle in
einer Richtung derart modifiziert, daß die festgestellte
Abweichung verringert wird.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfassen die
Mittel zur Feststellung einer Abweichung jeweils Mittel zum
Empfangen des Wertes der Spannung der Spannungsquelle, einer
Modulationsgröße, die eine an die Stromquelle anzulegende
Spannungswellenform bestimmt, des Rangs der Stufe und der
Anzahl von Stufen, um zu bestimmen, welches folglich die
nominale Ladespannung jedes Kondensators in einer
Betriebsperiode des Wandlers sein soll, wobei dann die Abweichung für
jeden Kondensator des Wandlers durch Vergleichsmittel
festgestellt wird, die die ausgewertete mittlere Spannung an den
Anschlußklemmen jedes Kondensators von der nominalen
Ladespannung der Kondensatoren subtrahiert.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung umfassen
die Mittel zur Auswertung der Spannung an den
Anschlußklemmen jedes Kondensators ein Spannungsmessungsnetz, daß
zwi
schen den beiden Anschlußklemmen des Kondensators
angeschlossen ist.
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Gemäß einer Variante umfassen die Mittel zur Auswertung der
Spannung an den Anschlußklemmen jedes Kondensators ein
Spannungsmessungsnetz, das zwischen den beiden Anschlußklemmen
eines Unterbrechers jeder Zelle angeschlossen ist.
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Gemäß einer weiteren Variante umfassen die Mittel zur
Auswertung der Spannung an den Anschlußklemmen jedes
Kondensators ein Spannungsmessungsnetz, das zwischen den beiden
Anschlußklemmen der Stromquelle angeschlossen ist.
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Vorzugsweise empfängt jedes der komplementären Steuermittel
außer dem Abweichungssignal eine Messung des von der
Stromquelle auferlegten Stromes und eine Konstante, die die
Kapazität eines der Kondensatoren ausdrückt, der mit ihm
verbunden ist, und berechnet entsprechend eine Modifikation der
Dauer des ersten Leitungszustandes der zu diesem Kondensator
gehörigen Zelle, so daß sie in diesem Kondensator eine
Ladung erzeugt, die die Ladungsabweichung kompensiert.
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Immer noch bevorzugt empfängt jedes der komplementären
Steuermittel auch ein Modulationssignal und modifiziert
entsprechend die Dauer des ersten Leitungszustandes der zu diesem
Kondensator gehörigen Zelle, so daß, wenn alle
komplementären Steuermittel ebenso wirken, die Stromquelle eine
entsprechend dem Modulationssignal modulierte mittlere Spannung
erhält.
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Schließlich empfängt vorzugsweise jedes der komplementären
Steuermittel von einem benachbarten komplementären
Steuermittel ein Modifikationssignal, das in diesem letzteren
hergestellt wurde und eine Modifikation definiert, die dieses
benachbarte komplementäre Steuermittel der Dauer des ersten
Ladungszustandes der Zelle, die mit ihm verbunden ist,
beibringt, damit das betrachtete komplementäre Steuermittel die
Dauer des ersten Leitungszustandes der Zelle, die ihm eigen
ist, entsprechend in einer Richtung modifiziert, die für den
zu dieser letzteren Zelle gehörigen Kondensator die Wirkung
der beigebrachten Modifikation in der benachbarten Zelle
kompensiert.
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Die verschiedenen Aufgaben und Merkmale der vorliegenden
Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung von
Ausführungsformen der Erfindung, die als nicht einschränkendes
Beispiel gegeben ist, unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen deutlicher, welche darstellen:
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Fig. 1, bereits beschrieben, das Schema des Prinzips eines
bekannten Mehrebenenwandlers,
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Fig. 2, bereits beschrieben, das Schema des Prinzips einer
Einheit aus zwei verschachtelten Stufen des
Mehrebenenwandlers der Fig. 1,
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Fig. 3, bereits beschrieben, Wellenformen, die den Betrieb
des Mehrebenenwandlers der Fig. 1 und 2 in dem
Fall beschreiben, in dem er drei Stufen umfaßt,
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Fig. 4 das Schema des Prinzips der Steuermittel eines
Mehrebenenwandlers des Typs der Fig. 1, 2 und 3, die
so angeordnet sind, daß die Ausführung der Erfindung
gestattet wird;
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Fig. 5 Kurven, die die Ausführung der Erfindung
entsprechend den Anordnungen der Fig. 4 und im Zusammenhang
mit irgendeiner Zelle des Mehrebenenwandlers, wie
derjenigen der Fig. 2, darstellen,
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Fig. 6 das Schema des Prinzips von Mittel zur Auswertung
der Ladespannung des Kondensators, die bei der
Vorrichtung der Fig. 4 verwendbar sind,
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Fig. 7 ein Schema des Prinzips einer Variante eines Teils
der Mittel der Fig. 4, das dem Fall entspricht, in
dem die mittlere Ladespannung jedes der Kondensatoren
des Mehrebenenwandlers aus der Kenntnis der Spannung
an den Anschlußklemmen jedes Unterbrechers
hergeleitet wird, wenn sie offen sind.
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Wir kommen nicht wieder auf die Beschreibung eines
Mehrebenenwandlers zurück. Die Schemata der Fig. 1, 2 und 3
entsprechen einem Wandler des Typs, der in der Patentschrift FR
- 2 697 715 A1 beschrieben ist, auf welche der Leser für
ausführlichere Einzelheiten verwiesen wird.
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Fig. 4 stellt vom Wandler der Fig. 1 nur die Kondensatoren
C1, C2..., Cn dar.
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Zu jedem dieser Kondensatoren gehört erfindungsgemäß eine
Auswertungsvorrichtung VMO1, VMO2..., VMOn, die gestattet,
die mittlere Ladespannung jedes der Kondensatoren
auszuwerten. Zu diesem Zweck ist diese Vorrichtung an die beiden
Anschlußklemmen des Kondensators angeschlossen. Sie liefert
ein Auswertungssignal VO1, VO2..., VOn, daß die an den
Anschlußklemmen des Kondensators vorhandene mittlere
Ladespannung ausdrückt.
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Mit jedem der Kondensatoren ist erfindungsgemäß auch eine
Vorrichtung VE1, VE2..., VEn zur Feststellung einer
Abweichung verbunden, die gestattet, eine eventuelle Abweichung
zwischen der beobachteten mittleren Ladespannung, die er von
der entsprechenden Auswertungsvorrichtung erhält, und der
nominalen mittleren Ladespannung dieses Kondensators
festzustellen. Diese Vorrichtung zur Feststellung einer Abweichung
berechnet wiederum die nominale mittlere Ladespannung dieses
Kondensators, die der Bruchteil 1/n, wobei n die Anzahl von
Stufen des Wandlers ist, der Spannung VE der Spannungsquelle
SE, multipliziert mit dem Rang R der Stufe ist. Diese
Vorrichtung empfängt somit den Wert VE, während die Werte n und
R, die Konstanten sind, in jeder Vorrichtung verdrahtet
sind. Diese letztere leitet daraus die nominale mittlere
Ladespannung VE. R/n her und vergleicht sie mit der
ausgewerteten mittleren Ladespannung, um ein Abweichungssignal VEC1,
VEC2..., VECn zu liefern, daß die Differenz zwischen diesen
beiden Spannungen charakterisiert.
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Dieses Abweichungssignal ist dazu bestimmt, auf die in den
Steuermodulen MCC1, MCC2...., MCCn beinhalteten
komplementären Steuermittel einzuwirken. Diese Steuermodule arbeiten in
Antwort auf Triggersignale sd1, sd2..., sdn, die ihnen bei
jeder Periode wie p1 (Fig. 3), von einer Zeitbasis BT in
versetzter Weise für die versetzte Steuerung der
Umschaltzellen des Wandlers geliefert werden, und ihre primäre
Funktion ist es, während jeder Periode einen Steuerimpuls zu
erzeugen, dessen nominale Dauer durch den Wert M des
Modulationssignals bestimmt ist. Die komplementären Mittel der
Steuermodule MCC1, MCC2..., MCCn bringen sekundär der Länge
dieses Impulses eine Modifikation bei, die vom Wert des
Abweichungssignals VEC1, VEC2..., VECn sowie vom von der
Stromquelle auferlegten Strom I abhängt. Die komplementären
Mittel der Steuermodule MCC1, MCC2..., MCCn bringen schließlich
vorzugsweise der Länge dieses Impulses eine Modifikation
bei, die von derjenigen abhängt, die von seinem eigenen
Steuerimpuls von einem benachbarten Steuermodul beigebracht
wird und die ihm von einem Modifikationssignal SM1, SM2...,
SMn, das jedes Steuermodul MCC1, MCC2..., MCCn erzeugt,
signalisiert wird. Im Beispiel der Fig. 4 wird das Signal SM1
vom Steuermodul MCC2, das Signal SM2 von einem nicht
dargestellten Modul MCC3 erzeugt. Aus Gründen der Homogenität
wurde ein Signal SMn für das Steuermodul MCCn dargestellt,
aber es ist insoweit nicht vorhanden, als kein Steuermodul
MCCn+1 vorhanden ist. Die resultierenden Signale CT1,
CT2..., CTn steuern den Zustand der Unterbrecher in den
entsprechenden Umschaltzellen CL1, CL2..., CLn.
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Genauer verlängert (oder verkürzt) das Abweichungssignal die
Zustände "1" des entsprechenden Unterbrechers T1, T2..., Tn
(siehe Fig. 1). Diese Verlängerung hängt von der zu
korrigierenden Ladungsabweichung, aber auch vom Strom in der
Stromquelle T, die von einem Stromsensor vom herkömmlichen
Typ, der in Reihe mit der Stromquelle eingefügt ist, sowie
von der Kapazität des Kondensators ab, die eine im
Steuermodul verdrahtete Konstante ist.
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In Anwendung dessen, was vorher erläutert wurde, hängt sie
außerdem von der dem benachbarten Steuerimpuls beigebrachten
Verlängerung ab, nämlich daß "der Kondensator C1 positive
zusätzliche Ladungen durch den selben Strom erhält, der
negative zusätzliche Ladungen an den Kondensator C2 liefert".
Somit bringt beispielsweise eine Verlängerung des
Steuerimpulses CT2, der den Umschalter T2 durchgehend macht und der
den Kondensator D2 negativ lädt, dem Kondensator C1 eine
unerwünschte zusätzliche positive Ladung bei. Diese
zusätzliche Verlängerung wird somit dem Steuermodul MCC1 durch das
Signal SM1 angegeben, das verwendet wird, um das
Steuersignal CT1 in eine Richtung zu korrigieren, so daß die
genannte unerwünschte zusätzliche positive Ladung korrigiert wird.
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Selbstverständlich wird die Richtung solcher Korrekturen in
dem Falle nach und nach umgekehrt, in dem der Einfluß der
Ladungsänderungen eines Kondensators auf den anderen in der
anderen Richtung stattfindet.
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Fig. 5 stellt zwei Fälle des Betriebs einer Einheit aus zwei
verschachtelten Zellen, wie denjenigen der Fig. 2, für die
in dieser Fig. 2 dargestellten Stromrichtungen dar und
stellt die Ladung und Entladung eines Kondensators Ck durch
die Kurven Ik und Vck des Stroms im Kondensator und der
Spannung an seinen Anschlußklemmen dar. Fig. 5 stellt ebenso
den Betrieb der Unterbrecher Tk und Tk+1 der Zellen CLk und
CLk+1 dar.
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In der Betriebsperiode pc1 des Wandlers treten die nominalen
Schließimpulse der Unterbrecher Tk und Tk+1 nacheinander
ohne Überlappung auf. Der Impuls Tk, wie er vorher erläutert
wurde, liefert einen Stromimpuls Id, der dem Kondensator Ck
eine negative zusätzliche Ladung beibringt, d. h. die
Entladung. Dann liefert der Impuls Tk+1 einen Stromimpuls Ie, der
ihm eine positive zusätzliche Ladung beibringt, d. h. die
Wiederaufladung. Die Spannung Vck, anfangs auf dem Niveau
ec1, verringert sich während des Impulses Id, steigt dann
während des Impulses le wieder, um dasselbe Niveau ec1
wieder einzunehmen.
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Es wurde eine Modifikation der Länge des nominalen Impulses
Tk durch Verlängerung dieses Impulses um ein erstes
Korrekturintervall itk1, dann ein zweites Korrekturintervall itk2
dargestellt.
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Insoweit als dieses Korrekturintervall itk1 kürzer als die
Zeitspanne zwischen den beiden nominalen Impulsen Tk und
Tk+1 ist, ist die Wirkung eine Verlängerung C'ck1 der
Entladung des Kondensators Ck im Hinblick auf die Korrektur der
gemessenen Abweichung, von der angenommen wird, daß sie eine
übermäßige Ladung des Kondensators Ck ist. Daraus folgt eine
Verlängerung der Entladeperiode und eine korrelative
Verringerung der schließlich an den Anschlußklemmen des
Kondensators Ck beobachteten Spannung, die ec2 wird, eine Spannung
kleiner als ec1.
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Wenn sich die Korrektur auch über das zweite
Korrekturintervall itk2 bis zum dem Punkt erstreckt, an dem der
verlängerte Impuls Tk dazu kommt, den Impuls Tk+1 wenigstens
teilweise zu überlappen, umfaßt die Verlängerung der Entladung die
gesamte Dauer bis zum Beginn des nominalen Impulses Tk+1.
Wenn beide Unterbrecher gemeinsam geschlossen sind, tritt
dann eine Verkürzung Cck2 der Aufladung des Kondensators Ck
von Beginn des Impulses Tk+1 bis zu dem Moment auf, an dem
der verlängerte Impuls Tk endet. Infolge dessen wird die
Spannung an den Anschlußklemmen des Kondensators Ck ec3,
eine Spannung kleiner als ec2. Die Verlängerung der
Entladung und die Verkürzung der Aufladung wirken somit, die eine
wie die andere, in Richtung einer Verringerung der
übermäßigen Aufladung des Kondensators Ck.
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Selbstverständlich sind die Beispiele, die gerade
beschrieben wurden, nur ein Hinweis. Die beigebrachten Korrekturen
haben im Verhältnis zu den Dauern der nominalen Impulse der
Unterbrecher eine sehr große Amplitude, was in der Praxis
nicht vorkommen soll. Sie haben jedoch gestattet, deutlich
zu erkennen, was im Wandler während der Korrektur einer
Ladungsabweichung vorgeht, wenn das Ende eines nominalen
Impulses Tk einer Zelle CLk sich dem Beginn des nominalen
Impulses Tk+1 der folgenden Zelle nähert und eine Verlängerung
des nominalen Impulses Tk nicht dazu führt oder im Gegenteil
dazu führt, daß der nominale Impuls Tk+1 wenigstens
teilweise überlappt wird. Es konnte bestätigt werden, daß die
Korrektur in beiden Fällen Wirkung zeigt.
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Fig. 5 stellt auch in einer weiteren Periode pc2 den
Mechanismus einer Korrektur einer übermäßigen Aufladung des
Kondensators Ck in dem Falle dar, in dem die nominalen Impulse
Tk und Tk+1 sich teilweise überlappen. Wie für das Paar
itk2/Cck2, das gerade geprüft wurde, bewirkt das Paar
Verlängerung itk3/Verkürzung Cck3 die gewünschte Korrektur.
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Es ist leicht zu bestätigen, daß eine Korrektur in
entgegengesetzter Richtung, wenn die mittlere Ladung des
Kondensators Ck nicht ausreicht, sich durch eine Verringerung der
Dauer des nominalen Impulses Tk ausdrückt und wiederum eine
Erhöhung der Ladung des Kondensators Ck beibringt.
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Außerdem und gemäß einer Variante kann die zur Debatte
stehende Korrektur der Ladungsabweichungen in einer
zentralisierten Steuereinrichtung, die die Funktionen aller
Steuermodule MCC1, MCC2..., MCCn verbindet, oder in einer
Vorrich
tung, die alle Steuermodule MCC1, MCC2..., MCCn vereinigt,
vervollständigt durch Verbindungen und Koordinationsmittel
zwischen den Modulen, vorgesehen sein, die somit fähig ist,
die dem Betrieb eines oder mehrerer Stufen des Wandlers
beizubringenden Anfangskorrektur oder
-korrekturen sowie die entsprechenden nachfolgenden
Korrekturen vorzusehen.
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Bei einer einfachen Ausführungsform erhält eine solche
Vorrichtung beispielsweise das zyklische Verhältnis des
Betriebs der ersten Stufe von Unterbrechern aufrecht und
korrigiert jede beobachtete Abweichung durch Modifikation der
zyklischen Verhältnisse der anderen Stufen, entsprechend den
Vorhergehenden. Es kann auch ganz gut ins Auge gefaßt
werden, das zyklische Verhältnis des Betriebs der letzten Stufe
aufrechtzuerhalten.
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Unter diesen Bedingungen versteht der Fachmann leicht, daß
es, indem so eine Korrektur der Einheit, die alle Stufen
außer einer beeinflußt, gemäß dem weiter oben beschriebenen
Mechanismus beigebracht wird, möglich ist, die letzte
Steuerung einzustellen, um so zu bewirken, daß die Gesamtheit der
Korrekturen keine Wirkung auf die Stromquelle hat, wobei die
an die Stromquelle gelieferte Spannung konstant bleibt und
nur die an der Spannungsquelle entnommene Energie durch
Erhöhung oder Verringerung dieser entnommenen Energie dann
Verteilung auf die verschiedenen Stufen dank des
Korrekturmechanismus, der gerade beschrieben wurde, modifiziert wird.
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Auf dieselbe Weise kann die Modulation der vom Wandler an
die Stromquelle gelieferten Spannung erhalten werden, indem
nur die Ladung des Kondensators des Rangs n - 1 moduliert
wird, wobei der Korrekturmechanismus, der gerade beschrieben
wurde, dann die Ausrichtung der Ladungen der Kondensatoren
der Rängen - 2..., 2, 1, wie sie sein soll, übernimmt.
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Die im vorhergehenden beschriebene Vorrichtung gestattet so,
die Leitungsdauern der Unterbrecher Tk zu modulieren, damit
die mittlere Spannung jedes Kondensators Ck zu jedem
Zeitpunkt so nahe wie möglich bei seiner nominalen Ladespannung
liegt.
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Diese nominale Ladespannung entspricht, wie bereits zu sehen
war, einem Bruchteil der Spannung VE der Spannungsquelle
(vgl. Fig. 1), der vom Rang k der betrachteten Stufe
abhängt.
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Die mittlere Ladespannung des Kondensators wird somit in
einer Beobachtungsvorrichtung VMO1, VMO2..., VMOn, nämlich
im allgemeinen VMOk, in mit dem Vorhergehenden
zusammenhängender Weise ausgewertet.
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Sich stützend auf das Vorhergehende und unter Bezugnahme auf
Fig. 6 besteht diese Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform
aus Impedanzen ptk1 und ptk2, die zwischen den
Anschlußklemmen des Kondensators Ck in Reihe angeschlossen sind und
einen bestimmten Bruchteil der Spannung an den
Anschlußklemmen des Kondensators an einen Analog/Digitalwandler CAN
liefern, der bei jedem Impuls fkn einen digitalen Spannungswert
an eine Berechnungsschaltung für den Mittelwert SCk liefert,
welcher einmal pro Zyklus des Wandlers von einer durch ein
Signal gk getriggerten Gatterschaltung PVk gelesen wird. Die
Signale fk und gk werden vorteilhafterweise von der
Zeitbasis BT (Fig. 4) erzeugt und ihre Position in der
Betriebsperiode des Wandlers ist derart, daß nach m Spannungsmessungen
in der Betriebsperiode des Wandlers und Berechnung des
Mittelwerts der Ergebnisse dieser Messung der Wert der
beobachteten mittleren Ladespannung am Ausgang VOk der Schaltung
SCk einmal pro Zyklus des Wandlers zu dem Zeitpunkt
verfügbar ist, der zur Bestimmung der in Verbindung mit Fig. 4
beschriebenen Modifikation der Dauer des geeigneten
Leitungszustandes (im vorhergehenden Leitung des Unterbrechers Tk)
der entsprechenden Zelle in den Steuermodulen MMC1, MMC2...,
MMCn geeignet ist.
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Es ist ganz offensichtlich, daß die beobachtete mittlere
Ladung des Kondensators Ck mit anderen Mitteln erhalten werden
kann.
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Gemäß einer ersten Variante, die in Fig. 7 dargestellt ist,
wird eher als die Spannung an den Anschlußklemmen des
Kondensators Ck zu messen, die Spannung VE der Spannungsquelle
und die Spannung zwischen den Anschlußklemmen eines der
Unterbrecher jeder Zelle gemessen, um durch Subtraktion nach
und nach die mittlere Ladespannung jedes der Kondensatoren
des Mehrebenenwandlers festzustellen. Es ist so, daß Fig. 7
einen der Unterbrecher des Mehrebenenwandlers der Fig. 1,
Tk, darstellt, an welchen eine Schaltung zur Auswertung der
Spannung VIk, die derjenigen der Fig. 6 entsprechen kann,
mittels Anpassungen, die im Vermögen des Fachmanns liegen,
angeschlossen ist, welche ein Signal Vk, das die Spannung an
den Anschlußklemmen des Unterbrechers Tk kennzeichnet, an
die Berechnungsschaltung CC zur selben Zeit liefert, zu der
diese das Steuersignal VCk dieses Unterbrechers Tk empfängt,
was der Berechnungsschaltung gestattet, nur während der
Perioden, in denen der Unterbrecher blockiert ist, die von der
Auswertungsschaltung VIk gelieferten Werte in Betracht zu
ziehen. Die Berechnungsschaltung empfängt die Spannung VE
direkt, die auch durch eine Schaltung wie diejenige der Fig.
6, vernünftigerweise vereinfacht, erhalten werden kann, und
sie führt die Substraktionsberechnung aus, die die Signale
VOl, VO2..., VOn der Fig. 4 liefert.
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Gemäß einer weiteren Variante, die sich leicht aus Fig. 3
herleiten läßt, stellt die Messung der Amplitude der an die
Stromquelle I gelieferten Impulse die Spannung an den
Anschlußklemmen des Kondensators dar, die sie verursacht; eine
einzige Vorrichtung wie diejenige der Fig. 6, die mit den
Anschlußklemmen der Stromquelle C verbunden ist und die
Spannung an verschiedenen Punkten der Kurve VI der Fig. 3
während jeder Periode, wie p1, auswertet, läßt Niveaus vi1,
vi2, vi3 erscheinen, die von jedem der Kondensatoren
stammen. Der Fachmann versteht leicht, wie die Signale VO1,
VO2..., VOn der Fig. 3, die die ausgewertete mittlere Ladung
jedes der Kondensatoren des Mehrebenenwandlers darstellen,
daraus hergeleitet werden können.
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Es ist ganz offensichtlich, daß die vorhergehenden
Beschreibungen nur als einschränkendes Beispiel gegeben sind und daß
sich insbesondere die numerischen Werte mit jeder Anwendung
ändern können.