DE69734489T2

DE69734489T2 - Reflektor-Pumpenschaltung zur Vermeidung von Oberwellenverzerrungen in einer Wechselstromversorgung und zur Sättigung des komplexen harmonischen Leistungsbedarfs eines Gleichrichters

Info

Publication number: DE69734489T2
Application number: DE69734489T
Authority: DE
Inventors: Steve Smith
Original assignee: Smith Steve Richmond
Current assignee: Smith Steve Richmond
Priority date: 1996-05-03
Filing date: 1997-04-30
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2017-05-01
Also published as: JPH1084670A; EP0805547A3; US5691577A; DE69734489D1; EP0805547A2; EP0805547B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energieverteilungsschaltungsanordnung und insbesondere Systeme und Vorrichtungen zum Schützen einer Wechselstrom-(AC)-Energieversorgungsquelle vor einer übermäßigen elektrischen Oberwellenstörung, die durch jede über das Netzwerk verteilte Gleichstrom-(DC)-Last erzeugt wird.
Der herkömmliche Schwerpunkt bei Entwurf von Energieversorgungen war bisher die Erzeugung einer sauberen DC-Ausgangsspannung für die DC-Last und die vollständige Ignorierung der Störung, die hinten in der AC-Energiequelle erzeugt wurde. Dieses war hinnehmbar, wenn die AC-Energiequelle eine mit 50- oder 60-Hertz-Quelle war, die von der lokalen Energieversorgungseinrichtung über Unterübertragungs- und Verteilungsleitungen und Transformatoren kommt. Diese wirkten als Isolation der weit verteilten Belastungen voneinander. Jedoch ist die Situation in Flugzeugen und anderen Fahrzeugen, welche AC-Energieverteilungssysteme mit 400 Hertz zur Versorgung verschiedener Instrumente und Funktionssubsysteme neben der Leistungsversorgung verwenden, vollständig anders.
Energieversorgungsgeräte zur Gewinnung von DC-Energie aus einer AC-Energiequelle sind allgemein bekannt und werden zur Versorgung von Lasten, welche von der Beleuchtung bis zum Personal Computern reichen, verwendet. Derartige Energieversorgungsgeräte enthalten typisch einen Gleichrichter, der die grundlegende AC/DC-Umwandlung ausführt, und einen großen Speicherkondensator am Ausgang, der den pulsierenden DC-Strom glättet und dann eine glattere DC-Energie liefert. Der in diese Schaltungen eingegebene Wechselstrom tendiert dazu, in kurzen Impulsen vorzuliegen, welche scharfe Spitzen haben und im Vergleich zu der im Wesentlichen sinusförmigen Spannungsform der Eingangs-AC-Energieversorgung von kurzer Dauer sind. Leider ist der pulsierende Eingangsstrom reich an ungeradzahligen Oberwellen und ergibt einen schlechten Leistungsfaktor an dem Eingang der Energieversorgung.
Die herkömmliche Technik hat eine große Vielzahl von Anordnungen hervorgebracht, um die Probleme in Verbindung mit den pulsierenden Eingangsströmen zu überwinden. Viele enthalten aktive Schaltungen, wie zum Beispiel eine transistorisierte Steuerschaltung entweder in diskreter oder integrierter Form. Derartige Schaltungen überwachen typischerweise den Eingangsstrom und verwenden verschiedene Steuerverfahren, zum Beispiel Impulsbreitenmodulation (PWM), zum Formen des Eingangsstroms, um ihn im Wesentlichen der Eingangsspannung anzupassen und dadurch nahezu einen Leistungsfaktor von 100%, oder eine oberwellenfreie Last für die AC-Energieversorgung zu erzeugen.
Herkömmliche aktive Steueranordnungen sind oft gegenüber Leitungstransienten empfindlich, und demzufolge müssen Vorkehrungen zum Schutz der aktiven Schaltung getroffen werden. Ferner muss, damit man auf vernünftig bemessene Leistungskomponenten zurückgreifen kann, oft auf einen Hochfrequenzbetrieb zurückgegriffen werden. Dieser kann Strahlungs- und Leitungsstörung generieren und Leitungsisolationsprobleme erzeugen. Die Korrektur derartiger Störungs- und Leitungsisolationsprobleme erfordert mehr Schaltungsaufwand und dieser addiert sich zu der Komplexität und Kosten derartiger Anordnungen.
Frühere passive Anordnungen existieren ebenfalls, sind jedoch üblicherweise nicht in der Lage einen Leistungsfaktor von im Wesentlichen 100% zu liefern. Jedoch können passive Anordnungen messbare Verbesserungen im Leistungsfaktor und der Oberwellenstörungs-Rückkopplung aus der Last bereitstellen und tun dies auch. Die meisten passiven Anordnungen scheinen von dem linearen Verhalten der induktiven Komponenten abzuhängen. Aber um sowohl die Linearität als auch die bei Hochleistungsanwendungen bei niedrigen AC-Versorgungsfrequenzen erforderlich Induktivität zu erzielen, sind die erforderlichen Induktivitäten typischerweise physikalisch sehr groß. Eine derartige Größe und Gewicht machen herkömmliche passive Lösungen für viele Anwendungen unerwünscht, welche eine kompakte Verpackung oder einen gewissen Grad an Tragbarkeit erfordern.
Herkömmliche passive Anordnungen beinhalten einen Betrieb eines Resonanzschaltkreises, in welchem eine Induktivität und ein Kondensator für eine Resonanz bei vorgewählten Frequenzen, die Mehrfache der AC-Energieversorgungsfrequenz sind, ausgewählt werden. Die Induktivität wird mit der AC-Energieversorgung der Last in Reihe oder parallel geschaltet, oder ist in Form linearer Schaltungselemente und einer Phasorenanalyse im Hinblick auf ihren linearen Betrieb und die sinusförmige Art des Betriebs modelliert.
Gemäß dem am 16. Mai 1995 an Beasley erteilten U.S. Patent 5,416,687 sind die prinzipiellen Einschränkungen von resonanten linearen Anordnungen eine schlechte Steuerung der korrigierten Wellenform aufgrund der Art großer Stahlinduktivitäten und eines zugeordneten niedrigen Q-Faktors des abgestimmten Netzwerkes, sowie die großen Abmessungen der Induktivitäten aufgrund der Notwendigkeit linearer Induktivitäten für den Durchlass großer Ströme und halten trotzdem einen linearen Betrieb und niedrige I²R- Verluste aufrecht.
Ein weiterer Typ eines Passivbetriebs gemäß Beasley ist die Bandpassbegrenzung. "Wie es im Fachgebiet allgemein bekannt ist, besteht jede Wellenform außer einer reinen Sinusform aus weiteren Oberwellen unterschiedlicher Phasen und Größen". Die durch die Gleichrichtung und Filterung der AC-Eingangsenergiequelle erzeugte pulsierende Stromwelle ist eine komplexe Welle. Eine Bandpassbegrenzungsanordnung steuert den Durchlass der Leistung aus der AC-Energieversorgung, um die Oberwellen höherer Ordnung zu blockieren und um dadurch die Störungseffekte des Leitungsstroms zu verhindern. Die prinzipiellen Einschränkungen der Bandpassbeschränkung sind die erforderlichen großen linearen Induktivitäten und die auftretende starke Reduzierung der effektiven DC-Ausgangsspannung. Mehrere Filterstufen können außerdem erforderlich sein, um die gewünschte Bandpassbegrenzung zu erreichen.
Herkömmliche Flugzeugenergieversorgungen verteilen 400 Hz Energie, die manchmal mit weiteren Frequenzen, außer der Grundfrequenz von 400 Hz verfälscht sein kann. Beispielsweise ist es in dem Falle von Flugzeug- und anderen Erzeugungsquellen, bei denen die gewünschte Eingangsfrequenz 400 Hz ist, nicht ungewöhnlich, ungeradzahlige und geradzahlige Oberwellen, wie zum Beispiel 800 Hz, 1200 Hz, 1600 Hz, 2000 Hz und bis zu etwa 3600 Hz zu finden. Abweichungen, wie zum Beispiel 820 Hz, 1220 Hz, usw. können ebenfalls auftreten. Wenn derartige unerwünschte Frequenzen an dem 400 Hz-Eingang eines AC/DC-Energiewandlers vorhanden sind, können kleine Anteile wie 3 bis 4% Überlagerungsfrequenzen erzeugen, die ein "Flackern" in den Leuchtstofflampen der Flugzeugkabine induzieren. Weitere ernsthaftere Effekte können in Bordinstrumenten- und Hilfssystemen beobachtet werden. Derartige Überlagerungsfrequenzen können auch als elektromagnetische Interferenz (EMI) von dem Energiesteuerungssystem abgestrahlt werden und Fehlfunktionen von Funk- und Navigationssystemen verursachen.
Die Boeing Aircraft Company hat deshalb ihre Spezifikation D644588W verkündet, die auszugsweise wie folgt lautet: "Bei einer Energieversorgung mit einer normalen oberwellenfreien AC-Spannung dürfen Lastgeräte keine ungeradzahligen Stromoberwellen von mehr als 30% der angegebenen Grundkomponente, dividiert durch die Ordnung der Oberwellen oder 3 Ampere dividiert durch die Ordnung der Oberwelle, je nachdem was kleiner ist, benötigen". Weiterhin heißt es: "Lastgeräte dürfen keine ungeradzahligen Tripletts (3, 9, 15, 21 usw.) eines Oberwellenstroms über 10% der angegebenen Grundkomponente dividiert durch die Ordnung der Oberwellen oder 1 Ampere dividiert durch die Ordnung der Oberwelle, je nachdem was kleiner ist, benötigen".
Diesbezüglich beschreibt das am 13. Februar 1996 an Levran et al. erteilte U.S. Patent 5,491,624 ein Energieumwandlungssystem zum Umwandeln von Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC). Eine Ausführungsform der Erfindung "platziert eine Impedanz zwischen der ankommenden AC-Leistung und eine Reihe von Schaltelementen, welche selektiv aktiviert werden, um die ankommende AC-Leistung in eine DC-Ausgangsleistung umzuwandeln". Das System kann für eine beliebige Anzahl unterschiedlicher Phasen ankommender AC-Energie verwendet werden und in einem festen Frequenzmodus oder Hysteresemodus betrieben werden. Eine Rückkopplung ist für die meisten angedachten Anwendungen erforderlich, einschließlich eines reinen Bedarfs auf der Basis der DC-Ausgangsspannung und eines modifizierten Bedarfs für die Anpassung der momentanen Phase der ankommenden AC-Energie. Die Vorteile der Schaltung umfassen eine niedrige Oberwellenstörung in der AC-Quelle, indem bei relativ hoher Frequenz im Vergleich zu der Energieversorgungsfrequenz geschaltet wird. Die Größe und das Gewicht ist vermutlich durch die Elimination großer Transformatoren verringert, welche ansonsten erforderlich wären, um die bei der DC-Ausgangsspannung gelieferte Leistung zu speichern.
Das am 10. Mai 1994 an Edwin J. Shires erteilte U.S. Patent 5,311,419 benennt die Notwendigkeit der Umwandlung einer Mehrphasen-AC-Energie in DC-Energie für eine oder mehrere Lasten in einem Flugzeug. Eine 400 Hz Mehrphasen-AC-Energie, die von einem Bodenenergieversorgungsfahrzeug geliefert wird, wird in eine DC-Energie für Bord-Lasten umgewandelt, während sich das Flugzeug auf dem Boden befindet. Eine derartige AC/DC-Energieumwandlung hängt von mehreren Gleichrichtern ab, die in einer Brückenkonfiguration verbunden sind. Jedoch sind die gezogenen Ströme nicht-sinusförmig und können hohe Pegel von Oberwellen niedriger Ordnung enthalten. Derartige Oberwellenströme können eine nicht akzeptable Spannungswellenformstörung in der AC-Quelle bewirken.
In der herkömmlichen Technik wurden übliche AC-Eingangsoberwellenfilter verwendet, um die Oberwellenströme auf der Eingangsseite des Wandlers zu reduzieren. Auch Gleichrichtertopologien mit mehreren Brückengleichrichtern und Isolationstransformatoren wurden aufgrund der Notwendigkeit, den Eingang des Wandlers von dem Ausgang aus Sicherheitsgründen zu trennen, ausprobiert. Jedoch haben die hinzugefügten Komponenten deutlich die Größe und das Gewicht des Gesamtwandlers erhöht und damit den Nutzen derartiger Lösungswege in Anwendungen, in welchen Größe und Gewicht wie zum Beispiel in einem Flugzeug auf einem Minimum gehalten werden müssen, eingeschränkt.
Ein weiterer herkömmlicher Lösungsansatz beinhaltet die Gleichrichtung von Mehrphasen-AC-Energie unter Verwendung steuerbarer Schaltelemente anstelle ungesteuerter Dioden. Eine phasengesteuerte Gleichrichterbrücke ist ein Beispiel eines Wandlers, der diesen Lösungsansatz anwendet. Jedoch kann eine Gleichrichterbrücke mit natürlich kommutierten Steuerthyristoren den Eingangsleistungsfaktor für die AC-Quelle zerstören und dadurch die Verwendung einer größeren AC-Eingangsquelle erfordern. Ein Beispiel eines AC/DC-Wandlers, der steuerbare Schaltvorrichtungen verwendet, wird von Brewster et al. in dem U.S. Patent 4,143,414 beschrieben. Drei getrennte Einphasen-AC/DC-Wandler werden dazu verwendet, um verkettete Spannungen aufzunehmen, die von einer Dreiphasen-Spannungsquelle erzeugt werden. Jeder AC/DC-Wandler enthält einen ersten Vollwellengleichrichter, der die verkettete AC-Spannung in eine DC-Spannung umwandelt, und einen H-Brückenwandler, der mit dem ersten Vollwellengleichrichter verbunden ist. Der H-Brücken-Wandler enthält erste und zweite Thyristorpaare, die abwechselnd betrieben werden, und die mit einer Primärwindung eines Isolationstransformators verbunden sind. Eine Sekundärwicklung des Isolationstransformators ist mit einer zweiten Vollwellengleichrichterbrücke verbunden. Die zweiten Vollwellengleichrichterbrücken der AC/DC-Wandler sind zueinander parallel geschaltet, um einen Ausgang des Gesamtwandlers auszubilden. Ein Nachteil bei dem in dem Patent von Brewster et al. dargestellten Wandler besteht darin, dass die Thyristoren nicht selbst-kommutierend sind und daher eine resonante Kommutationsschaltung für den korrekten Betrieb erfordern. Diese resonante Kommutationsschaltung vergrößert die Abmessung und das Gewicht des Gesamtwandlers und der unabhängige Betrieb der drei Wandler garantiert keine Anpassung der Versorgungsströme aneinander. Daher können die Dreifachoberwellen nicht vollständig kompensiert werden.
Shires gibt vor, einen AC/DC-Energiewandler zu beschreiben, der eine vollständige Aufhebung gesteuerter Oberwellen und die Steuerung des Eingangsleistungsfaktors und der Ausgangsspannung in einer einfachen und effektiven Weise bereitstellt. Shires beschreibt einen Leistungswandler zum Umwandeln einer Eingangs-AC-Energie mit N verketteten Eingangs-AC Wellenformen bei einer ersten Frequenz in eine Gesamtausgangs-DC-Energie. N ist eine ganze Zahl größer als 2. N verkettete AC/DC-Wandler empfangen eine verkettete Wellenform und weisen in Reihe geschaltete Ausgänge auf. Jeder AC/DC-Wandler richtet die verkettete Wellenform gleich, um eine Zwischen-DC-Energie zu erhalten. Ein Wandler ist mit dem Gleichrichter verbunden, um die Zwischen-DC-Energie in eine Zwischen-AC-Energie bei einer zweiten Frequenz umzuwandeln, die höher als die erste Frequenz ist. Ein zweiter Gleichrichter ist mit der Zwischen-AC-Energie verbunden, um eine Wandlerausgangs-DC-Energie zu erhalten. Die Wandlerausgangs-DC-Energien werden zusammengefasst, um die Gesamtausgangs-DC-Energie zu erzielen, und die N verketteten AC/DC-Wandler werden so gesteuert, das sie die AC-Eingangsleistungsfaktoren und Oberwellen regeln.
In zwei früheren Patenten hat der Erfinder Steve Smith Netzwerke zum Isolieren eines Oberwellenstroms in DC-Lasten von deren AC-Energiequellen beschrieben. Siehe U.S. Patente 5,251,120, erteilt am 05. Oktober 1993 und 5,133,335, erteilt am 12. Mai 1992. Das '335-Patent skizziert beispielsweise ein Dreiphasen-Netwerk, bestehend aus Induktivitäts/Kondensator-Parallelenkombinationen in Reihe mit jedem Schenkel der DC-Brückengleichrichterverbindung zu der AC-Eingangsenergiequelle und eine Induktivitäts/Kondensator-Serienkombination, die im Nebenschluss über jeden Eingang des Brückengleichrichters geschaltet ist. Das Netzwerk verwendet in Kombination wenigsten einen "Resonator", welcher über den Eingang einer DC-Energieversorgungsquelle geschaltet ist, und wenigstens einen "Reflektor", welcher so geschaltet ist, dass er den Eingang der DC-Energieversorgungsquelle mit einer AC-Energieleitung verbindet. Jeder Resonator enthält die Serienkombination einer Induktivität und eines Kondensators. Wenigstens einige der Reflektoren enthalten die Parallelkombination einer Induktivität und eines Kondensators. In 2 des '120-Patentes enthält der einzige Resonator eine Induktivität 170 und einen Kondensator 172. Einer von den zwei Reflektoren enthält eine Induktivität 150 und einen Kondensator 152. Die Resonatoren stellen die Oberwellenströme bereit, welche die DC-Energieversorgung für einen korrekten Betrieb benötigt. Die Reflektoren reflektieren die Oberwellenenergie in die Energieversorgung zurück. Um den Pegel von Oberwellenströmen höherer Ordnung abzuschwächen, wird in einigen Ausführungsformen ein Reflektor verwendet, welcher wenigstens eine Induktivität und einen Widerstand enthält. Wiederum enthält in 2 ein derartiger Reflektor eine Induktivität 140 und einen Widerstand 144. Die Anzahl der Resonatoren und die Anzahl der Reflektoren variiert mit der Anwendung. In vielen Anwendungen sind nur ein Resonator und ein Reflektor erforderlich. Jedoch erfordern alle Anwendungen wenigstens einen von jedem.
Da die Betriebsweise dieser Schaltung nun besser verstehbar wurde, werden die Resonatoren nun als Pumpen bezeichnet, da die Wechselwirkung mit den Gleichrichterdioden den Energiepegel in der Pumpe nach oben pumpt und diese Energie durch den Gleichrichter hindurch in die Last pumpt. Die Reflektoren haben die Funktion, eine derartige Energie durch die Gleichrichter hindurch in die Last zu reflektieren.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Oberwellenstörungs-Unterdrückungnetzwerk bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Netzwerk bereitzustellen, das in der Lage ist, die strengen Industrieanforderungen zu erfüllen.
Kurz gesagt weist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Reflektor-Pumpennetzwerk auf, das für eine Einfügung zwischen einer AC-Energieversorgungsquelle und einem Vollwellengleichrichter in einem AC/DC-Energiewandler vorgesehen ist. Der von dem Vollweggleichrichtungsprozess erzeugte komplexe Oberwellenstrombedarf wird durch eine Pumpe in dem Netzwerk gesättigt. Ein derartiger komplexer Oberwellenstrombedarf wird ferner von der AC-Energiequelle durch die Reflektoren in dem Netzwerk isoliert.
Ein prinzipieller Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein verbessertes Oberwellenstörungs-Unterdrückungsnetzwerk bereitgestellt wird, das erheblich die höheren Oberwellenpegel gegenüber dem Stand der Technik und selbst Oberwellen über der höchsten Oberwelle reduziert, für welche die Pumpe oder einer der Reflektoren abgestimmt sind. Eine bevorzugte Abschwächung ungeradzahliger Tripletts von Oberwellen wird geleistet und wiederum für Oberwellen über der höchsten Oberwelle, für welche die Pumpe oder einer der Reflektoren abgestimmt sind.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein verbessertes Oberwellenstörungs-Unterdrückungsnetzwerk bereitgestellt wird, das ein breites Spektrum von Oberwellen reduziert, während es gleichzeitig die Verwendung von Schaltungselementen vermeidet, die auf jede von einer Vielzahl von Oberwellen abgestimmt sind.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein verbessertes Oberwellenstörungs-Unterdrückungsnetzwerk bereitgestellt wird, das die Verwendung von Schaltelementen vermeidet, die auf höhere Oberwellen abgestimmt sind, und somit die Herstellbarkeit und Stabilität der Ausführungsformen verbessert.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein Netzwerk bereitgestellt wird, das die schwierigsten Industriestandards für die Steuerung von Oberwellenstörung erfüllt oder überbietet.
Diese und weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden zweifellos für den Fachmann auf diesem Gebiet nach dem Lesen der nachstehenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform ersichtlich, welche in den verschiedenen Zeichnungsfiguren dargestellt sind.
In den Zeichnungen ist bzw. sind
1 eine Blockdarstellung eines Reflektor-Pumpennetzwerkes einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die für die Verhinderung eines Strombedarfs für ungeradzahlige Oberwellen aus einer Einphasen-AC-Energieversorgung sorgt;
2 eine Blockdarstellung eines Reflektor-Pumpennetzwerkes einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die für die Verhinderung eines Strombedarfs für ungeradzahlige Oberwellen aus einer Einphasen-AC-Energieversorgung sorgt;
3 eine Blockdarstellung eines Reflektor-Pumpennetzwerkes einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die für die Verhinderung eines Strombedarfs für ungeradzahlige Oberwellen aus einer Dreiphasen-AC-Energieversorgung sorgt;
4A und 4B sind schematische Schaltbilder einer typischen Reflektorschaltung und einer kaskadierten Reflektorschaltung, die in den Netzwerken der 1 bis 3 nützlich ist; und
5 ist eine schematische Schaltung einer typischen Pumpenschaltung, die in den Netzwerken der 1 bis 3 nützlich ist.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
1 stellt eine Ausführungsform des Reflektor-Pumpennetzwerkes der vorliegenden Erfindung dar, die insgesamt mit den Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Das Netzwerk 10 stellt eine Zwei-Anschluss-Verbindung für eine Einphasen-AC-Energiequelle 12 bereit, welche eine Festfrequenzquelle ist, die typischerweise bei 400 Hz in einer Flugzeugenergieversorgungskonfiguration arbeitet. Ein Zwei-Anschlüsse-Reflektor 14 ist in Serie mit einem Schenkel verbunden und eine Zwei-Anschlüsse-Pumpe 16 ist im Nebenschluss mit einem AC/DC-Gleichrichter 18 verbunden. Beispielsweise weist der AC/DC-Gleichrichter 18 eine Vollweg-Siliziumdioden-Gleichrichterbrücke eines AC/DC-Energiewandlers auf, der schließlich DC-Energie an eine Last 19 liefert. Der AC/DC-Gleichrichter 18 ist dahingehend typisch, dass er einen komplexen Oberwellenstrombedarf aus der AC-Energiequelle 12 erzeugt.
Der Zwei-Anschlüsse-Reflektor 14 stellt eine komplexe Antwort auf hindurchfließende Ströme bereit, die von den beteiligten Bestandteilfrequenzen abhängt. Im Allgemeinen präsentiert der Zwei-Anschlüsse-Reflektor 14 eine hohe Impedanz für den von dem Ac/DC-Gleichrichter 18 erzeugten komplexen Oberwellenstrombedarf. Vom Konzept her werden alle derartigen komplexen Oberwellenströme in den AC/DC-Gleichrichter 18 zurückreflektiert und an einer Zirkulation durch die AC-Energiequelle 12 gehindert.
Die Zwei-Anschlüsse-Pumpe 16 erzeugt eine komplexe Antwort auf die über ihr auftretenden Spannungen, die von den beteiligten Bestandteilfrequenzen abhängt. Im Allgemeinen wirkt die Zwei-Anschlüsse-Pumpe 16 als ein Stromgenerator, der den von dem AC/DC-Gleichrichter 18 erzeugten komplexen Oberwellenstrombedarf sättigt. Vom Konzept her wird der durch den AC/DC-Gleichrichter 18 erzeugte größte komplexe Oberwellenstrombedarf durch die in der Pumpe 16 gehaltene Speicherenergie gesättigt und dadurch dessen Auftreten an der AC-Energiequelle 12 verhindert. Es scheint so, dass eine effiziente Energieübertragung von der Quelle durch die Gleichrichter zu der Last mit der Pumpe erzielt wird, die gerade etwas über der fünften Oberwelle, zum Beispiel das 5,3 bis 5,5-fache der Leitungsfrequenz, abgestimmt ist.
2 stellt eine Ausführungsform des Reflektorpumpennetzwerkes der vorliegenden Erfindung dar, die insgesamt mit den Bezugszeichen 20 bezeichnet ist. Das Netzwerk 20 stellt eine Zwei-Anschlüsse-Verbindung zu einer Einphasen-AC-Energiequelle 22 bereit, welche eine Festfrequenzquelle ist, die typischerweise bei 400 Hz in einer Flugzeugenergiequellenkonfiguration arbeitet. Ein erster Zwei-Anschlüsse-Reflektor 24 ist mit einem Schenkel in Serie geschaltet, ein zweiter Zwei-Anschlüsse-Reflektor 25 ist mit dem anderen Schenkel in Serie geschaltet und eine Zwei-Anschlüsse-Pumpe 26 ist im Nebenschluss zu einem AC/DC-Gleichrichter 28 geschaltet. Beispielsweise weist der AC/DC-Gleichrichter 18 eine Vollweg-Siliziumdioden-Gleichrichterbrücke eines AC/DC-Energiewandlers auf, der schließlich DC-Energie an eine Last 19 liefert. Der AC/DC-Gleichrichter 18 ist dahingehend typisch, dass er einen komplexen Oberwellenstrombedarf aus der AC-Energiequelle 12 erzeugt.
Die Zwei-Anschlüsse-Reflektoren 24 und 25 stellen eine komplexe Antwort auf hindurchfließende Ströme bereit, die von den beteiligten Bestandteilfrequenzen abhängt. Im Allgemeinen präsentieren die Zwei-Anschlüsse-Reflektor 24 und 25 eine hohe Impedanz für den von dem Ac/DC-Gleichrichter 28 erzeugten komplexen Oberwellenstrombedarf. Vom Konzept her werden alle derartigen komplexen Oberwellenströme in den AC/DC-Gleichrichter 18 zurückreflektiert und an einer Zirkulation durch die AC-Energiequelle 12 gehindert.
Die Zwei-Anschlüsse-Pumpe 26 erzeugt eine komplexe Antwort auf die über ihr auftretenden Spannungen, die von den beteiligten Bestandteilfrequenzen abhängt. Im Allgemeinen wirkt die Zwei-Anschlüsse-Pumpe 26 als ein Stromgenerator, der den von dem AC/DC-Gleichrichter 28 erzeugten komplexen Oberwellenstrombedarf sättigt. Vom Konzept her wird der durch den AC/DC-Gleichrichter 28 erzeugte größte komplexe Oberwellenstrombedarf durch die in der Pumpe 26 gehaltene Speicherenergie gesättigt und dadurch dessen Auftreten an der AC-Energiequelle 22 verhindert.
3 stellt eine Ausführungsform des Reflektorpumpennetzwerkes der vorliegenden Erfindung dar, die insgesamt mit den Bezugszeichen 30 bezeichnet ist. Das Netzwerk 30 stellt eine Drei-Anschlüsse-Verbindung zu einer Dreiphasen-AC-Energiequelle 22 bereit, welche eine Festfrequenzquelle ist, die typischerweise bei 400 Hz in einer Flugzeugenergiequellenkonfiguration arbeitet. Ein erster Zwei-Anschlüsse-Reflektor 34 ist mit einem ersten Schenkel in Serie geschaltet, ein zweiter Zwei-Anschlüsse-Reflektor 35 ist mit einem zweiten Schenkel in Serie geschaltet, und ein dritter Zwei-Anschlüsse-Reflektor 35 ist mit einem dritten Schenkel in Serie geschaltet. Ein Satz von drei Zwei-Anschlüsse-Pumpe 37–39 ist mit jedem Verbinderpaar mit einem AC/DC-Gleichrichter 40 im Nebenschluss geschaltet. Beispielsweise weist der AC/DC-Gleichrichter 18 eine Vollweg-Siliziumdioden-Gleichrichterbrücke eines AC/DC-Energiewandlers auf, der schließlich DC-Energie an eine Last 41 liefert. Der AC/DC-Gleichrichter 40 ist dahingehend typisch, dass er einen komplexen Oberwellenstrombedarf aus der AC-Energiequelle 32 erzeugt.
3 stellt eine Dreiecks-Dreiphasenkonfiguration dar. Alternativ umfasst die vorliegende Erfindung sternförmige Dreiphasenkonfigurationen.
Die Zwei-Anschlüsse-Reflektoren 34–36 stellen eine komplexe Antwort auf hindurchfließende Ströme bereit, die von den beteiligten Bestandteilfrequenzen abhängt. Im Allgemeinen präsentieren die Zwei-Anschlüsse-Reflektor 34–36 eine hohe Impedanz für den von dem Ac/DC-Gleichrichter 40 erzeugten komplexen Oberwellenstrombedarf. Vom Konzept her werden alle derartigen komplexen Oberwellenströme in den AC/DC-Gleichrichter 40 zurückreflektiert und an einer Zirkulation durch die AC-Energiequelle 32 gehindert.
Die Zwei-Anschlüsse-Pumpe 37–39 erzeugen eine komplexe Antwort auf den über ihnen auftretenden Spannungen, die von den beteiligten Bestandteilfrequenzen abhängt. Im Allgemeinen wirken die Zwei-Anschlüsse-Pumpen 37–39 als Stromgeneratoren, die jeweils einen Teil des von dem AC/DC-Gleichrichter 28 erzeugten komplexen Oberwellenstrombedarfs sättigen. Vom Konzept her wird der durch den AC/DC-Gleichrichter 40 erzeugte größte komplexe Oberwellenstrombedarf durch die in den Pumpen 37–39 gehaltene Speicherenergie gesättigt und dadurch dessen Auftreten an der AC-Energiequelle 32 verhindert.
Jeder von den Reflektoren 14, 24, 25 und 34-36 und den Pumpen 16, 26 und 37–39 empfängt Energie aus der zugeordneten AC-Energiequelle 12, 22 oder 32 beispielsweise bei 400 Hz und gibt einen Teil davon mit Größen, die frequenzabhängig sind zurück. Beispielsweise kann eine Induktivitäts/Kondensator kombination mit einer Resonanzfrequenz von 1200 Hz mit einem 400 Hz Eingang nur erregt werden, um dann mit einer 1200 Hz Ausgangsgröße abzuklingen. Die Energieabgaben durch die Reflektoren 14, 24, 25 und 35–36 und die Pumpen 16, 26 und 37–39 sind bevorzugt im Oberwellenanteil und der Größe abgestimmt, um den komplexen Oberwellenstrombedarf der AC/DC-Gleichrichter 18, 28 und 40 zu sättigen und das Auftreten einer derartigen unerwünschten Störung an den AC-Energiequellen 12, 22 und 32 zu verhindern.
4A stellt eine erste Ausführungsform eines Reflektors 50 dar, der für jeden von den Reflektoren 14, 24, 25 und 34–36 verwendet werden könnte. Eine Induktivität 52 ist im Nebenschluss mit einer Serienkombination eines Kondensators 54 und eines Widerstandes 56 geschaltet. In einer Ausführungsform hatte die Induktivität 52 0,010 Henry, der Widerstand 56 27 Ohm und der Kondensator 54 0,1 Mikrofarad.
Der Reflektor 50 kann alternativ mehrere LRC-Kombinationen gemäß Darstellung durch 4B in in Serie geschalteten Stufen, zum Beispiel in Kaskade aufweisen. Beispielsweise wiesen die drei Stufen in einem tatsächlichen Prototyp, der gute Ergebnisse zeigte, die nachstehenden in der Tabelle 1 aufgelisteten Werte auf.
Tabelle 1
5 stellt eine erste Ausführungsform einer Pumpe 16 dar, die für jede der Pumpen 16, 26 und 37–39 verwendet werden könnte. Eine Induktivität 62 ist mit einem Kondensator 64 und einem Widerstand 66 in Serie geschaltet. Ein Kondensator 68 bildet einen Nebenschluss zur gesamten Kombination. In einer Ausführungsform hatte die Induktivität 62 0,0114 Henry, der Widerstand 66 hatte 27 Ohm und der Kondensator 64 hatte 0,44 Mikrofarad und der Kondensator 66 hatte 0,01 Mikrofarad.
Die Situation in den Darstellungen des am 12. Mai 1992 dem Erfinder, Steve Smith, erteilten U.S. Patentes 5,113,335 sieht sehr ähnlich aus. Ein derartiges Patent ist hierin durch Bezugnahme beinhaltet. Jedoch liegt hier weder ein Widerstand in Serie zu der Induktivität 70 (1 von '335) und dem Kondensator 72, noch ist ein Kondensator vorhanden, der im Nebenschluss zu der Serienkombination der Spule 70 und dem Kondensator 72 steht.
Der Erfinder hat verschiedene Experimente durchgeführt, die überraschende Ergebnisse in Bezug auf die Fähigkeit der Pumpe 60, den komplexen Oberwellenstrombedarf der nachgeschalteten Gleichrichter zu sättigen, zeigten. Die Ergebnisse waren überraschend, da die Daten zeigten, dass die Ströme durch die Pumpe 60 nicht diskontinuierlich sind, so dass eine theoretisch angenommene, dem Widerstand 66 zuzurechnende, LCR-Dämpfungswirkung nicht beteiligt ist. Es wurde empirisch entdeckt, dass es einen optimalen Wert für den Widerstand 66, beispielsweise angenähert 20% der Lastimpedanz gibt, wenn der Q-Wert der Schaltung der Pumpe 60 etwa 1 ist. Insbesondere wurde beobachtet, dass die Energien von ungeradzahligen Triplettoberwellen disproportional durch optimale Werte des Widerstandes 6 reduziert werden. Experimente unter Verwendung eines Wertes von 27 Ohm für den Widerstand 66 führten im Mittel zu einer Reduzierung von 72% in den Oberwellenamplituden und einer Reduzierung von 81% in ungeradzahligen Triplettoberwellen, zum Beispiel der dritten, sechsten und neunten usw. Im Allgemeinen sollte der Widerstandswert des Widerstandes 66 deutlich die Summe des auftretenden Wicklungswiderstandes der Induktivität 62 und jedes absichtlich eingefügten Serienwiderstandswertes überschreiten.
Trotzdem war die Hinzufügung des Widerstandes 66 alleine in den ausgeführten Tests nicht ausreichend, um die Anforderung der hierin erwähnten Spezifikation von Boeing zu erfüllen. Es wurde angenommen, dass, wenn eine Quelle mit einem breiten Spektrum der durch den Gleichrichtungsprozess benötigten störenden Oberwellen an dem Gleichrichtereingang verfügbar gemacht wird, derartige Oberwellen nicht in der Energieversorgungsleitung zirkulieren müssen. Was überraschend war, war die Verbesserung, die bevorzugt für die ungeradzahligen Tripletts sowohl mit als auch ohne den Widerstand 66 erzielt wurde. Dafür ist der Kondensator 68 erforderlich.
Es gibt einen bevorzugten Bereich für den Kondensator 68, ein zu kleiner Wert bewirkt nichts und ein zu großer Wert, einer der mit dem Wert des Kondensators 64 vergleichbar ist, hebt die Grundfunktion der Pumpe 16 auf. Daher gilt 0 < C₆₈ < T₆₄. In einer Testschaltung wurde der Kondensator 64 mit einer Kapazität von 0,44 Mikrofarad und der Kondensator 68 mit einer Kapazität von 0,10 Mikrofarad gewählt.
Unabhängig von der speziellen Kombination von verwendeten Reflektoren 50 und Pumpen 60, zum Beispiel in 1 bis 3, sollte die Serienkombination aller Reflektoren bevorzugt wenigstens zusätzliche 10% der Lastimpedanz für die AC-Energieversorgung bei der Grundfrequenz repräsentieren. Die Pumpe arbeitet nicht korrekt, wenn sie effektiv durch eine AC-Hauptenergiequelle mit einer sehr niedrigen Impedanz geschlossen wird.
Spezielle Beachtung sollte dem Umstand geschenkt werden, dass die Ausführungsformen in der vorliegenden Erfindung nicht von der Verwendung von Schaltungselementen abhängen, die auf irgendeine oder alle von den Oberwellenfrequenzen für höherer Ordnung abgestimmt sind, die unterdrückt werden sollen. Stattdessen wird der spezielle Oberwellenstrombedarf des Gleichrichtungsprozesses durch die Pumpen gesättigt und von der AC-Energieversorgung durch die Reflektoren isoliert.
Obwohl die vorliegende Erfindung in Form der derzeit bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, dürfte es sich verstehen, dass die Offenbarung nicht als Einschränkung zu interpretieren ist. Verschiedene Änderungen und Modifikationen sind zweifellos für den Fachmann auf diesem Gebiet nach dem Lesen der vorstehenden Offenbarung ersichtlich.

12: AC-Energie-Versorgung
14: Reflektor
16: Pumpe
18: AC/DC-Gleichrichter
19: Last

Claims

Reflektor-Pumpennetzwerk (10, 20), mit: einem Paar von Eingangsanschlüssen, die eine Verbindung zu einer Quelle (12, 22) eines einphasigen Wechselstroms mit fester Frequenz bereitstellen; einem Paar von Ausgangsanschlüssen, die die Verbindung zu einem Gleichrichter (18, 28) bereitstellen, der einen, wenigstens ungeradzahlige Triplettoberwellen einer Grundfrequenz des einphasigen Wechselstroms mit fester Frequenz aufweisenden komplexen Oberwellenstrombedarf erzeugt; wenigstens einem Reflektor (14, 24, 25, 50), der zwischen die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse geschalttet ist und für die Isolation des komplexen Oberwellenstrombedarfs von den Eingangsanschlüssen sorgt, wobei der wenigstens eine Reflektor (14, 24, 25, 50) eine Induktivität (52) aufweist, die zu einem Kondensator (54) und einem Widerstand (56), die eine Reihenschaltung bilden, parallel geschaltet ist; und wenigstens einer Pumpe (16, 26, 60), die über die Ausgangsanschlüsse geschaltet ist, und eine sättigende Energiequelle für den komplexen Oberwellenstrombedarf bereitstellt, wobei die wenigstens eine Pumpe (16, 26, 60) einen ersten Kondensator (68) aufweist, der in Nebenschluss zu einer in Reihe mit einem zweiten Kondensator (64) und einem Widerstand (66) geschalteten Induktivität (62) geschaltet ist; wobei der wenigstens eine Reflektor (14, 24, 25, 50) wenigstens zusätzliche 10 Prozent der Lastimpedanz der Wechselstromquelle bei der Grundfrequenz präsentiert und wobei die wenigstens eine Pumpe (16, 26, 60) und der wenigstens eine Reflektor (14, 24, 25, 50) bei der Isolation von Signalen zwischen den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen bei den in den wenigstens ungeradzahligen Triplettoberwellen enthaltenen Frequenzen zusammenarbeiten.
Reflektor-Pumpen-Netzwerk (30) mit einem Satz von drei Eingangsanschlüssen, die eine Verbindung zu einer Quelle (32) eines Dreiphasen-Festfrequenz-Wechselstroms bereitstellen; einem Satz von drei Ausgangsanschlüssen, die die Verbindung zu einem Gleichrichter (40) bereitstellen, der einen komplexen Oberwellenstrombedarf erzeugt, der ungeradzahlige Triplettoberwellen enthält, wobei wenigstens ein Reflektor (34, 35, 36, 50) zwischen jedem entsprechenden Paar von Eingangs- und Ausgangsanschlüssen angeschlossen ist und die Isolation des komplexen Oberwellenstrombedarfs von den Eingangsanschlüssen bereitstellt; und wenigstens einer Pumpe (37, 38, 39, 60), die über jedem Paar der Ausgangsanschlüsse angeschlossen ist und eine sättigende Energiequelle für den komplexen Oberwellenstrombedarf bereitstellt.
Netzwerk (10, 20, 30) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der wenigstens eine Reflektor (14, 24, 25, 34, 35, 36, 50) eine Induktivität (52) aufweist, die zu einer Reihenschaltung, die durch einen Kondensator (54) und einen Widerstand (56) gebildet ist, parallel geschaltet ist, und wobei die wenigstens eine Pumpe (16, 26, 37, 38, 39, 16) einen ersten Kondensator (68) aufweist, der in Nebenschluss zu einer in Reihe mit einem zweiten Kondensator (64) und einem Widerstand (66) geschalteten Induktivität (62) geschaltet ist, und wobei der Oberwellenstrombedarf des Gleichrichters (18, 28, 14) durch die Pumpen (16, 26, 37, 38, 39, 60) gesättigt und durch die Reflektoren (14, 24, 25, 34, 35, 36, 50) über ein breites Frequenzspektrum blockiert wird, das Oberwellen höherer Ordnung oder Triplettoberwellen (höherer Ordnung) enthält.
Netzwerk (10, 20, 30) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Reflektoren (14, 24, 25, 34, 35, 36, 50) jeweils eine kaskadierte Serie aufweisen, wobei wenigstens eine Stufe in der Serie eine zu einer Reihenschaltung, die durch einen Kondensator (54) und einen Widerstand (56) gebildet ist, parallel geschaltete Induktivität (52) ist, wobei alle von den Frequenzen der wenigstens ungeradzahligen Triplettoberwellen abhängige kritische Werte aufweisen.
Netzwerk (10, 20, 30) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der wenigstens eine Reflektor (14, 24, 25, 34, 35, 36, 50) die zu einer Reihenschaltung, die durch den Kondensator (54) und den Widerstand (56) gebildet ist, parallel geschaltete Induktivität (52) aufweist, wobei alle von den Frequenzen der wenigstens ungeradzahligen Triplettoberwellen abhängige kritische Werte aufweisen.
Netzwerk (10, 20, 30) nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Pumpe (16, 26, 16) den ersten Kondensator (68) aufweist, der im Nebenschluss zu der in Reihe mit dem zweiten Kondensator (64) und dem Widerstand (66) geschalteten Induktivität (62) geschaltet ist, wobei alle von den Frequenzen der wenigstens ungeradzahligen Triplettoberwellen abhängige kritische Werte aufweisen, und wobei der erste Kondensator in der Kapazität von dem zweiten Kondensator übertroffen wird.
Netzwerk (30) nach Anspruch 2, wobei die Pumpen (37, 38, 39, 16) einen Kondensator (68) aufweisen, der in Nebenschluss zu einer in Reihe mit einem Kondensator (64) geschalteten Induktivität (62) geschaltet, wobei alle von den Frequenzen der wenigstens ungeradzahligen Triplettoberwellen abhängende kritische Werte aufweisen.