EP2104978A2 - Transformer circuit for the frequency conversion of electric performance variables, method for actuating a transformer circuit and power generator - Google Patents

Transformer circuit for the frequency conversion of electric performance variables, method for actuating a transformer circuit and power generator

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Publication number
EP2104978A2
EP2104978A2 EP07856819A EP07856819A EP2104978A2 EP 2104978 A2 EP2104978 A2 EP 2104978A2 EP 07856819 A EP07856819 A EP 07856819A EP 07856819 A EP07856819 A EP 07856819A EP 2104978 A2 EP2104978 A2 EP 2104978A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
circuit
voltage
generator
output
switches
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07856819A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Peter Kilian Zeller
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Individual
Original Assignee
Individual
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Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP2104978A2 publication Critical patent/EP2104978A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/40—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc
    • H02M5/42—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/44—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac
    • H02M5/453—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M5/458—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only

Definitions

  • Converter circuit for the exchange of electrical power quantities.
  • the present invention relates to an electrical converter circuit for the exchange of electric power quantities, in particular for use in an electric power generator, with a rectification circuit which is connectable to the electrical output of an electric generator, a DC link, which is the input side connected to the rectification circuit and the output with an inverter circuit for generating an alternating voltage is connected, wherein the intermediate circuit comprises a series circuit of two switches and a series circuit of two capacitors, wherein the series circuits are connected to each other via catcher diodes, wherein the switches and the capacitors are connected together in a first center tap, and with a control device for independently controlling the switches and controlling the inverter circuit. Furthermore, the present invention relates to a method for driving such a converter circuit and a power generator with a drive motor, for example in the form of an internal combustion engine, with an electric generator and an electrical converter circuit of the type mentioned.
  • a part of the input rectifier circuit of the electrical converter circuit is known from document WO 02/09267.
  • the power generators typically have a drive motor such as an internal combustion engine (gasoline or diesel) and an electric generator connected thereto.
  • a drive motor such as an internal combustion engine (gasoline or diesel) and an electric generator connected thereto.
  • VSCF inverter power generators
  • the inverter power generators have the advantage that the provision of almost any output voltages and frequencies and network forms can be realized.
  • An inverter power generator is known from the document EP 1 187 305 A2.
  • the converter circuit has a semi-controlled six-pulse bridge circuit with which a constant DC output voltage can be generated. This intermediate circuit voltage can be converted into an alternating variable via a downstream full bridge and smoothed by means of an output filter (LC filter).
  • LC filter output filter
  • an inverter power generator is known from document WO 06/035612 A, in which an AC voltage supplied by the generator is first rectified and then boosted via a step-up converter in order to generate a constant DC link voltage.
  • a full bridge is used to generate an alternating size. Further switches connected in parallel serve to create a resilient center point. By means of the outputs of the full bridge, two output voltages can be provided against the loadable center point (which is also supported by a coil), which output voltages can be tapped either alone or in total from one load.
  • WO 02/09267 A1 a method for constant current generation by means of a rotational energy source (internal combustion engine), a generator and a control circuit is known.
  • the generator is designed for constant current generation.
  • the control circuit has an intermediate circuit, which is connected on the input side with an unregulated rectification circuit and the output side is connected to a Abtaktan eleven.
  • the intermediate circuit has a series connection of two switches and a series connection of two capacitors, wherein the series circuits are connected to one another via catcher diodes.
  • the switches and the capacitors are connected together in a first center tap.
  • the switches can be controlled and closed separately, so that independent of one another adjustable voltages between the first center tap to the respective parallel terminals can be constructed in a wide range.
  • both capacitors are charged when the two switches are open.
  • the switches can be designed as IGBTs. If only one switch is open, the diagonally opposite capacitor is charged. Thus, with low generator terminal voltage caused by low generator speeds, "pumping" across the capacitors can result in a desired final voltage.
  • the inverter circuit has at least one connected to the DC link half-bridge circuit with a second center tap, wherein the AC voltage generated by the inverter circuit derived from the potential at the first and at the second center tap is.
  • a loadable center in the form of the first center tap is provided by the connection of the intermediate circuit and inverter circuit, which is higher loadable than in conventional half-bridge circuits.
  • the low-frequency load current is passed through the generator, only high-frequency load current components are passed through the capacitors.
  • the loadable center tap makes it possible, in particular, to connect several half-bridges in parallel and connect them, for. B. operate in parallel mode. Since the low-frequency load currents are in turn passed through the generator, the capacitors used must only carry the high-frequency load current component, i. even with parallel operation, the capacitors do not have to be dimensioned larger.
  • the first center tap is not to be supported via a throttle, as is required in the converter circuit of WO 2006/035612 A.
  • the two switches of the intermediate circuit enable an active balancing of the voltages applied across the capacitors, as is also disclosed in document WO 02/09267.
  • a half-bridge circuit is provided in place of the full bridge usually connected to the intermediate circuit in order to provide an alternating voltage between a second center tap of this half-bridge circuit and the first center tap.
  • the rectification circuit is an unregulated, ie, unpulsed, rectification circuit, and the generator is preferably already structurally designed to supply as constant a current as possible at the output of the downstream, unpulsed rectification circuit.
  • a power generator equipped with the electric converter circuit can be, in particular, a mobile power generator, in particular in the form of a power generator that can be worn by a person.
  • the converter circuit can also be used for other power generators, in particular for semi-mobile power generators for professional use.
  • the above object is achieved by a method for driving a converter circuit according to the invention, wherein the control device opens the two switches in a load operation both when the voltages across the capacitors are already in a desired voltage range by direct supply from a converter driving the converter circuit.
  • the inverter circuit has at least two half-bridge circuits and provides a corresponding number of alternating voltages at its output. This makes it possible in a comparatively simple manner, as in the aforementioned WO 06/035612 A, to provide a plurality of AC voltages, which may be combined with each other.
  • control device is designed to control the half-bridge circuits either in the same or in phase, so that the AC voltages provided are in-phase or out of phase with one another.
  • in-phase or phase-shifted AC voltages can be made depending on the application.
  • the inverter circuit has exactly two half-bridge circuits and provides two alternating voltages at its output which, depending on the control of the half-bridge circuits, are equal or inverse phase.
  • the inverter circuit has three half-bridge circuits and provides at its output three alternating voltages, which are three-phase in phase opposition to one another.
  • the universal character of the converter circuit according to the invention can be used advantageously.
  • different sockets for example, for use in the US or the application in Europe
  • a suitable coding of the respective socket information for the control device This makes it possible to operate the control device so that it provides suitable AC voltages for the respective application or the respective field of application.
  • sockets can carry codes that are queried by the controller, or can also actively "report” their state to the controller.
  • control device closes a switch if the voltage applied across the capacitor parallel thereto exceeds a maximum value.
  • either a single switch or both switches are closed, which may result in the generator being shorted. It is understood that this mode is usually applied only relatively short, for example, in a sudden load shedding, which can lead to an increase in the capacitor voltages. This preferred mode is also referred to as "backward control mode”. It should also be understood that the generator generally has to be short-circuit proof.
  • the control means alternately opens and closes the two switches to increase the voltage across the capacitors, when the speed of a generator driving the converter circuit is less than a predetermined speed.
  • This mode in which the capacitors are charged crosswise, is preferably used in a partial load range.
  • the predetermined speed is a value in the range of 1/2 to 4/5 of the rated speed of the generator (and thus the drive motor).
  • the output AC voltage can be kept relatively high, wherein the drive motor can run at a significantly reduced speed (to save energy in part-load or idle mode).
  • the preferred mode is also referred to as "Voltage Doubler Mode".
  • the switches only have to be operated at relatively low frequencies, so that the switches can each be formed inexpensively.
  • control device clocks both switches for a short time at high frequency, thereby increasing the voltage applied across the capacitor series circuit voltage.
  • the two switches must be designed for a relatively high-frequency clocking (for example in the range of 4-10 kHz).
  • the output voltage of the generator can be increased by taking advantage of the leakage inductance of the generator.
  • This operating mode is particularly suitable if the combination of motor and generator has a large mass moment of inertia. In this operating mode comparatively high electronic disturbances (EMC) are generated, so that this mode is preferably implemented in applications with loads> 10 kVA.
  • EMC electronic disturbances
  • This mode of operation is also referred to as "boost mode".
  • a balancing of the voltages applied across the capacitors can optionally take place, if they do not have the same absolute value. This could be caused, for example, by an unbalanced load at the output.
  • the symmetrization can take place in these operating modes.
  • Fig. 1 is a schematic block diagram of a power generator according to the invention
  • Fig. 2 is a more detailed circuit diagram of the power generator of Fig. 1, the inverter circuit having two half-bridge circuits; 3 shows a detailed view of a further embodiment of a power generator according to the invention, wherein the inverter circuit has a single half-bridge circuit;
  • FIG. 4 shows a detailed view of a further embodiment of a power generator according to the invention, wherein the inverter circuit has three half-bridge circuits;
  • FIG. 5 shows in schematic form a possible coding of sockets of a power generator according to the invention
  • FIG. 6 is a circuit diagram of a portion of the inverter circuit of FIG. 2 with an OVC half bridge connected thereto for reducing voltages;
  • FIG. 7 shows a circuit diagram of the power generator according to the invention in the "free-running mode"
  • FIG. 8 shows circuit diagrams of the power generator according to the invention in the "voltage doubler mode"
  • FIG. 9 shows a circuit diagram of the power generator according to the invention in the "backward-control mode"
  • FIG. 11 in schematic form four modes of the invention
  • a first embodiment of a power generator according to the invention (gene set) is generally designated 10.
  • the power generator 10 may in particular be a portable power generator, wherein the components described below are defined in a common housing or on a common frame, which is not shown in more detail in the figures.
  • the power generator 10 has a drive motor 12 in the form of an internal combustion engine (diesel or gasoline) and an electric generator 14.
  • the electric generator 14 is equipped with a permanent magnetic excitation, as indicated schematically by the magnet shown.
  • the electric generator 14 provides (for example, at respective stator windings) a three-phase AC voltage 16, which is supplied to the converter circuit according to the invention, which is generally designated 20 in FIG.
  • the converter circuit 20 provides at its output an output voltage 22 or a plurality of output voltages, which will be explained below.
  • the converter circuit 20 has a rectification / power control arrangement 24 which, as will be explained below, includes an unregulated rectification circuit 3 and intermediate circuit 4.
  • the output of the rectification / power control arrangement 24 is connected to an inverter arrangement 26.
  • the output of the inverter assembly 26 is connected via unspecified smoothing members (LC members) with a load 28, which is thereby supplied with the output voltage (s) 22.
  • the converter circuit 20 further includes a controller generally indicated at 30.
  • the control device 30 includes a control device 32 for the Rectifier / power controller assembly 24 and controller 34 for inverter assembly 26.
  • the controller 32 measures the current at the parallel terminals at the output of the rectification / power control assembly 24 and also measures the voltages between the parallel terminals and a center conductor, not further specified.
  • the control device 32 activates two switches of the rectification / power control arrangement 24 via a driver.
  • the controller 32 receives the rotational frequency of the generator 14 or a signal from which the rotational frequency can be determined - for example, one or more pulses per revolution - and is also designed to control the drive motor 12, for example via the throttle position.
  • the control device 34 for the inverter assembly 26 receives the same measurement signals from the output of the rectification / power control assembly 24 and further receives corresponding electrical measurement signals from the output side of the inverter assembly 26.
  • the inverter assembly 26 as will be explained below, two half-bridges are provided each have two switches. The switches are controlled by the control device 34 via a corresponding driver.
  • the controller 34 further receives a reference voltage U * re f.
  • FIG. 2 shows the power generator 10 shown in FIG. 1 in the form of a rectifier circuit diagram.
  • the individual sections of the power generator are numbered 1 to 6, wherein the section 1 corresponds to the drive motor 12, wherein the section 2 corresponds to the generator 14, wherein the section 3 corresponds to the rectification circuit, the section 4 corresponds to the intermediate circuit, wherein the section. 5 corresponds to the inverter assembly 26 and wherein the portion 6 of the load assembly 28 corresponds.
  • the rectification circuit 3 is formed as an unregulated rectification circuit with a total of six diodes 3-1, 3-2, ... 3-6.
  • an intermediate circuit voltage U ⁇ At the output of the rectification circuit is an intermediate circuit voltage U ⁇ .
  • the intermediate circuit voltage UZK is applied between a first intermediate circuit conductor 40 and a second intermediate circuit conductor 42.
  • the intermediate circuit 4 has a series connection of two switches 4-1, 4-4, which are controlled by means of the control device 32.
  • the switches 4-1, 4-4 can be controlled independently of one another by the control device 32.
  • the intermediate circuit 4 also has a series connection of two capacitors 4-5, 4-2.
  • the two series circuits are connected to each other via catcher diodes 4-6, 4-3.
  • the series connection of the two switches 4-1, 4-4 is directly connected to the first and the second intermediate circuit conductor 40, 42.
  • the series connection of the two capacitors 4-5, 4-2 is connected to a first inverter conductor 46 and a second inverter conductor 48, respectively.
  • the two switches and the two capacitors are connected together in a first center tap 44.
  • About the one capacitor 4-5 is a voltage U «on.
  • Above the other capacitor 4-2 is a corresponding capacitor voltage U 4- Z.
  • an inverter section 5a is connected, which has a first half-bridge of two switches 5a-l, 5a-2 and a second, parallel thereto half-bridge of two switches 5a-6, 5a-7.
  • the first half-bridge is generally designated 49A in FIG. 2, the second half-bridge 49B.
  • the switches 5a-l, etc. are controlled by the control device 34.
  • the switches of the intermediate circuit 4 or of the inverter section 5a shown in FIG. 2 can each be designed as IGBTs or as other semiconductor switches.
  • a diode provided in each case above the switch can be provided as required or else possibly omitted.
  • a center tap 5OA is provided between the two switches 5a-1, 5a-2 of the first half-bridge 49A.
  • another center tap 5OB is provided between the two switches 5a-6, 5a-7 of the second half-bridge 49B.
  • the center tap 50A is connected to a first output terminal 60 (A) through a first output conductor 52 and a first LC filter (composed of a coil 15a-3 and a capacitor 15a-4).
  • a first output voltage UAN is applied between the first output terminal 60 and the center conductor N connected to the center tap 44.
  • the further center tap 50B is connected to a second output terminal 62 (B) via a second output conductor 54 and a second LC filter 56B. Between the center conductor N and the second output terminal 62 is applied to a second output voltage UNB.
  • the voltages UAN, UN B are respectively applied across the capacitors 5a-4 and 5a-9 of the LC filters 56A and 56B.
  • the load 28 can now be connected either to one of the two voltages U A N, UN B or to the two terminals A, B, so that the total voltage from these two voltages is applied to the load.
  • Other load combinations are conceivable, as will be explained below.
  • Fig. 3 shows another embodiment of a power generator 10 '.
  • the power generator 10 ' generally corresponds in terms of design and operation to the power generator 10 of FIGS. 1 and 2. Only differences will be explained below.
  • the inverter section 5b has only a single half-bridge 49 'which includes two switches 5b-1, 5b-2. Between these two switches 5b-l, 5b-2, a single center tap 50 'is provided.
  • single-phase sinusoidal output voltages UAN can be generated whose maximum voltage amplitude depends on the voltage across the capacitors 4-5, 4-2.
  • FIG. 4 A further alternative embodiment of a power generator 10 "is shown in Figure 4.
  • the power generator 10 generally corresponds in terms of design and operation to the power generator 10 of Figures 1 and 2. Only differences will be explained below.
  • the inverter section 5c of the power generator 10 has three half-bridge circuits 49A", 49B “, 49C” with respective center taps 50A “, 50B” and 50C ", respectively.
  • the loadable neutral conductor N which is connected to the first center tap 44, forms a true four-conductor system.
  • the current generators 10, 10 ', 10 "in FIGS. 1 to 4 are each based on the same basic structure and, despite different applications, can be operated with the same drive motor 12, the same generator 14 and the same rectification / power control arrangement 24.
  • the intermediate circuit 24 or 4 must be operated in the free-running mode, the voltage-doubler mode, the backward-control mode, etc. For applications with larger loads, this may also be the case intended to set up the "boost mode".
  • Fig. 5 the coding of different sockets 36 is shown in a schematic form, which can be connected interchangeably at the output of the inverter assembly 26 of FIGS. 1 and 2.
  • the coding can be done, for example, with 2 bits, resulting in four different combinations.
  • a voltage V of 230 volts and with a frequency f of 50 Hertz is provided, which is shown in Fig. 5 as a "series mode.”
  • a similar voltage, which can also be set up in “series mode”, can also be provided with 60 Hertz (Encoding Y).
  • the socket with the coding Z, whereby, for example, a "parallel mode" can be set up, in which a load of 115 Volt and usually 60 hertz between the interconnected terminal contacts A, B and the center conductor N is connected.
  • FIG. 5 Another connection option is shown in Fig. 5 on the right side ("series mode with loaded center-tap"), wherein over the terminals A, B, a voltage of 240 volts is applied and in this case a load can be applied, as well as loads between the terminals A, B and the neutral conductor N (each with 115 volts).
  • Fig. 6 illustrates the inverter 26 of Fig. 2, wherein parallel to the two half-bridges 49A, 49B, a further half-bridge 70 is connected to control overvoltages.
  • a center tap of the Over Voltage Circuit (OVC) half bridge 70 has a center tap connected to ground via a chopper resistor 72.
  • OVC Over Voltage Circuit
  • the two switches of the OVC half-bridge 70 are normally open, so that the inverter 26 of FIG. 6 has the same function as the inverter of FIG. 2 described above.
  • the OVC half-bridge can avoid overvoltages that can occur when energy is fed back into the DC link 4 (eg when braking a connected load).
  • Such a voltage increase can not be reduced by the switches 4-1, 4-4 of the intermediate circuit due to the catcher diodes 4-6, 4-3.
  • a voltage increase can be avoided or reduced by converting the energy fed back into heat by means of the chopper resistor 72. This can generally be done for the total voltage, but is preferably done by means of the half-bridge 70, such that the voltage reduction for each capacitor 4-5, 4-2 can be done separately.
  • the OVC half-bridge is an optional feature of the present invention, but is relatively inexpensive to implement, since a three-phase module is preferably used for the inverter. Furthermore, preferably only two of the half-bridges (namely, the half-bridges 49A, 49B) are used for the modulation of the output voltage
  • FIG. 7 shows first the generator 2 and the rectifier 3 in the form of an equivalent circuit diagram. It can be seen that both switches 4-1, 4-4 are open in the "free running mode", so that the corresponding current 78f flows completely across the catcher diodes 4-6, 4-3 and the capacitors 4-5, 4-2 Consequently, a corresponding voltage 8Of, which is equal to the rectified voltage UR *, drops across the capacitors.
  • FIG. 10 shows two alternative possibilities for setting up the so-called "boost mode”.
  • a corresponding output voltage can also be achieved if the two switches 4-1, 4-4 are each driven alternately with the higher clock frequency.
  • FIG. 11 shows in diagram 90 possible operating modes of the current generators of FIGS. 1 to 4.
  • Normal mode is "Free-Running Mode.” This mode is the mode set up for higher rated voltages when the load is connected, ie, in the nominal voltage range between Voltage Doubler OFF and Backward Control OFF voltages Transition to the partial load range, then, when the voltage drops to "Voltage Doubler ON", this mode is turned on. The Voltage Doubler mode remains switched on until the Voltage Doubler OFF voltage is reached, which defines the lower limit of the nominal voltage range. Due to the thus set hysteresis for Ein standing. Switching off the operating mode “Voltage-Doubler-Mode” ensures that there is no unnecessary switching back and forth between the operating modes. In the same way, the "Backward-Control” mode is activated when the voltage "Backward-Control-ON" is reached. This is well above the upper limit of the rated voltage range, so that here too hysteresis is set up to avoid unnecessary switching back and forth between the modes.
  • Fig. 11 Further shown in Fig. 11 is the application of the OVC mode, which is used when relatively high voltages (overvoltages) occur which are caused, for example, by a load side power supply.
  • the free-running mode is set outside the nominal voltage range between backward-control-off and voltage-doubler-off by default (ie, the two switches 4-1 and 4-4 are open, if provided) due to the DC link voltage does not result in switching on one of the other modes). Therefore, the free-running mode is shown hatched in the voltage range outside the rated voltage range.

Abstract

The invention relates to an electric transformer circuit (20) for providing electric power, particularly for an electric power generator (10), comprising a rectifying circuit (24, 3), which can be connected to the electric output (16) of an electric generator (14), an intermediate circuit (24, 4), which is connected to the rectifying circuit on the input side and at the output side is connected to an inverter circuit (26, 5) for generating an AC voltage (UAN), wherein the intermediate circuit (24, 4) comprises a series connection of two switches (4-1, 4-4) and a series connection of two capacitors (4-5, 4-2), wherein the series connections are connected to each other via capture diodes (4-6, 4-3) and wherein the switches (4-1, 4-4) and the capacitors (4-5, 4-2) are connected to each other in a first middle tap (44). The invention further comprises a control device (30, 32, 34) for the independent control of the switches (4-1, 4-4) and for the control of the inverter circuit (26, 5). The inverter circuit (26, 5) comprises at least one half-bridge circuit (49) connected to the intermediate circuit (24, 3) via a second middle tap (50), wherein the AC voltage (UAN) generated by the inverter circuit (26, 5) is derived from the potentials at the first and second middle taps (44, 50).

Description

Wandlerschaltkreis zur Wechselumrichtung elektrischer Leistungsgrößen. Verfahren zum Ansteuern eines Wandlerschaltkreises und Stromerzeuger Converter circuit for the exchange of electrical power quantities. Method for driving a converter circuit and power generator
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Wandlerschaltkreis zur Wechselumrichtung von elektrischen Leistungsgrößen, insbesondere zum Gebrauch in einem elektrischen Stromerzeuger, mit einer Gleichrichtungsschaltung, die mit dem elektrischen Ausgang eines elektrischen Generators verbindbar ist, einem Zwischenkreis, der eingangsseitig mit der Gleichrichtungsschaltung verbunden ist und der ausgangsseitig mit einer Wechselrichterschaltung zur Erzeugung einer Wechselspannung verbunden ist, wobei der Zwischenkreis eine Reihenschaltung aus zwei Schaltern und eine Reihenschaltung aus zwei Kondensatoren aufweist, wobei die Reihenschaltungen über Fängerdioden miteinander verbunden sind, wobei die Schalter und die Kondensatoren in einem ersten Mittenabgriff miteinander verbunden sind, und mit einer Steuereinrichtung zur unabhängigen Steuerung der Schalter und zur Steuerung der Wechselrichterschaltung. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ansteuern eines solchen Wandlerschaltkreises sowie einen Stromerzeuger mit einem Antriebsmotor, beispielsweise in Form eines Verbrennungsmotors, mit einem elektrischen Generator und einem elektrischen Wandlerschaltkreis der eingangs genannten Art.The present invention relates to an electrical converter circuit for the exchange of electric power quantities, in particular for use in an electric power generator, with a rectification circuit which is connectable to the electrical output of an electric generator, a DC link, which is the input side connected to the rectification circuit and the output with an inverter circuit for generating an alternating voltage is connected, wherein the intermediate circuit comprises a series circuit of two switches and a series circuit of two capacitors, wherein the series circuits are connected to each other via catcher diodes, wherein the switches and the capacitors are connected together in a first center tap, and with a control device for independently controlling the switches and controlling the inverter circuit. Furthermore, the present invention relates to a method for driving such a converter circuit and a power generator with a drive motor, for example in the form of an internal combustion engine, with an electric generator and an electrical converter circuit of the type mentioned.
Ein Teil der Eingangsgleichrichterschaltung des elektrischen Wandlerschaltkreises ist bekannt aus dem Dokument WO 02/09267.A part of the input rectifier circuit of the electrical converter circuit is known from document WO 02/09267.
Zur portablen und mobilen Stromerzeugung sind sogenannte elektrische Netzersatz- Stromerzeuger (Gen-Sets) bekannt. Die Stromerzeuger weisen typischerweise einen Antriebsmotor wie einen Verbrennungsmotor (Benzin oder Diesel) sowie einen hiermit verbundenen elektrischen Generator auf. Man unterscheidet zwischen sogenannten konventionellen Stromerzeugern, bei denen die elektrische Leistung direkt aus dem Generator abgegriffen wird und keine weitere Umrichtung erfolgt, und sogenannten Inverter-Stromerzeugern (VSCF), bei denen zunächst eine Gleichrichtung der Wechselgrößen aus dem Generator und anschließend eine Umrichtung bzw. Wechselrichtung der Gleichgrößen in entsprechende Wechselgrößen erfolgt. Die Inverter-Stromerzeuger haben den Vorteil, dass die Bereitstellung von nahezu beliebigen Ausgangsspannungen und -frequenzen sowie Netzformen realisierbar ist.For portable and mobile power generation so-called electric power generator sets (gene sets) are known. The power generators typically have a drive motor such as an internal combustion engine (gasoline or diesel) and an electric generator connected thereto. A distinction is made between so-called conventional power generators, in which the electrical power is tapped directly from the generator and no further conversion takes place, and so-called inverter power generators (VSCF), in which first a rectification of the alternating quantities from the generator and then a re-direction or change direction the same quantities in corresponding alternating sizes. The inverter power generators have the advantage that the provision of almost any output voltages and frequencies and network forms can be realized.
Ein Inverter-Stromerzeuger ist aus dem Dokument EP 1 187 305 A2 bekannt. Der Wandlerschaltkreis weist eine halbgesteuerte sechs-pulsige Brückenschaltung auf, mit der eine konstante Ausgangsgleichspannung erzeugt werden kann. Diese Zwischen- kreisspannung kann über eine nachgeschaltete Vollbrücke in eine Wechselgröße umgewandelt und mittels Ausgangsfilter (LC-Filter) geglättet werden.An inverter power generator is known from the document EP 1 187 305 A2. The converter circuit has a semi-controlled six-pulse bridge circuit with which a constant DC output voltage can be generated. This intermediate circuit voltage can be converted into an alternating variable via a downstream full bridge and smoothed by means of an output filter (LC filter).
Ferner ist aus dem Dokument WO 06/035612 A ein Inverter-Stromerzeuger bekannt, bei dem eine vom Generator gelieferte Wechselspannung zunächst gleichgerichtet und anschließend über einen Hochsetzsteller hochgesetzt wird, um eine konstante Zwischenkreisspannung zu erzeugen. Wiederum wird eine Vollbrücke zur Erzeugung einer Wechselgröße verwendet. Weitere, parallel hierzu angeschlossene Schalter dienen dazu, einen belastbaren Mittelpunkt zu erzeugen. Mittels der Ausgänge der Vollbrücke können gegen den belastbaren Mittelpunkt, (der zudem durch eine Spule gestützt wird) zwei Ausgangsspannungen bereitgestellt werden, die entweder jeweils alleine oder in Summe von einer Last abgreifbar sind.Furthermore, an inverter power generator is known from document WO 06/035612 A, in which an AC voltage supplied by the generator is first rectified and then boosted via a step-up converter in order to generate a constant DC link voltage. Again, a full bridge is used to generate an alternating size. Further switches connected in parallel serve to create a resilient center point. By means of the outputs of the full bridge, two output voltages can be provided against the loadable center point (which is also supported by a coil), which output voltages can be tapped either alone or in total from one load.
Der hierzu erforderliche Halbleiteraufwand ist jedoch erheblich.However, the required semiconductor expense is significant.
Aus dem eingangs genannten Dokument WO 02/09267 Al ist ein Verfahren zur Konstantstromerzeugung mittels einer Rotationsenergiequelle (Verbrennungsmotor), eines Generators sowie eines Steuerschaltkreises bekannt. Der Generator ist zur Konstantstromerzeugung ausgelegt. Der Steuerschaltkreis weist einen Zwischenkreis auf, der eingangsseitig mit einer ungeregelten Gleichrichtungsschaltung verbunden ist und der ausgangsseitig mit einer Abtaktanordnung verbunden ist. Der Zwischenkreis weist eine Reihenschaltung aus zwei Schaltern und eine Reihenschaltung aus zwei Kondensatoren auf, wobei die Reihenschaltungen über Fängerdioden miteinander verbunden sind. Die Schalter und die Kondensatoren sind in einem ersten Mittenabgriff miteinander verbunden. Die Schalter sind getrennt voneinander ansteuer- und schließbar, so dass in einem weiten Bereich voneinander unabhängige einstellbare Spannungen zwischen dem ersten Mittenabgriff zu den jeweiligen Parallelklemmen aufgebaut werden können.From the aforementioned document WO 02/09267 A1 a method for constant current generation by means of a rotational energy source (internal combustion engine), a generator and a control circuit is known. The generator is designed for constant current generation. The control circuit has an intermediate circuit, which is connected on the input side with an unregulated rectification circuit and the output side is connected to a Abtaktanordnung. The intermediate circuit has a series connection of two switches and a series connection of two capacitors, wherein the series circuits are connected to one another via catcher diodes. The switches and the capacitors are connected together in a first center tap. The switches can be controlled and closed separately, so that independent of one another adjustable voltages between the first center tap to the respective parallel terminals can be constructed in a wide range.
Es ist offenbart, dass der Generator dann, falls er zuviel Strom erzeugt, kurzgeschlossen werden kann. Ferner ist offenbart, dass beide Kondensatoren geladen werden, wenn die beiden Schalter offen sind. Die Schalter können als IGBTs ausgebildet sein. Falls nur ein Schalter offen ist, wird der schräg gegenüberliegende Kondensator geladen. So kann bei durch niedrige Generatordrehzahlen verursachte niedrige Generatorklemmenspannung das „Strompumpen" über die Kondensatoren zu einer gewünschten Endspannung führen.It is disclosed that if the generator generates too much current then it can be shorted. It is further disclosed that both capacitors are charged when the two switches are open. The switches can be designed as IGBTs. If only one switch is open, the diagonally opposite capacitor is charged. Thus, with low generator terminal voltage caused by low generator speeds, "pumping" across the capacitors can result in a desired final voltage.
Vor dem obigen Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung, einen elektrischen Wandlerschaltkreis anzugeben, der gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist, und insbesondere für die Belastung durch die nachfolgende Wechselrichterschaltung mit relativ klein dimensionierten Kondensatoren ausgestattet werden kann.Against the above background, it is the object of the invention to provide an electrical converter circuit which is improved over the prior art, and in particular for the load of the subsequent inverter circuit can be equipped with relatively small-sized capacitors.
Diese Aufgabe wird bei dem elektrischen Wandlerschaltkreis, der eingangs genannt wurde, dadurch gelöst, dass die Wechselrichterschaltung wenigstens eine mit dem Zwischenkreis verbundene Halbbrückenschaltung mit einem zweiten Mittenabgriff aufweist, wobei die von der Wechselrichterschaltung erzeugte Wechselspannung aus den Potentialean dem ersten und an dem zweiten Mittenabgriff abgeleitet ist.This object is achieved in the electrical converter circuit, which has been mentioned, in that the inverter circuit has at least one connected to the DC link half-bridge circuit with a second center tap, wherein the AC voltage generated by the inverter circuit derived from the potential at the first and at the second center tap is.
Bei dieser Ausführungsform wird durch die Verbindung von Zwischenkreis und Wechselrichterschaltung ein belastbarer Mittelpunkt in Form des ersten Mittenabgriffes geschaffen, der höher belastbar ist als bei herkömmlichen Halbbrückenschaltungen.In this embodiment, a loadable center in the form of the first center tap is provided by the connection of the intermediate circuit and inverter circuit, which is higher loadable than in conventional half-bridge circuits.
Der niederfrequente Laststrom wird über den Generator geführt, lediglich hochfrequente Laststromanteile werden über die Kondensatoren geführtFerner ermöglicht der belastbare Mittenabgriff insbesondere, mehrere Halbbrücken parallel zu schalten und diese z. B. im Parallelmodus zu betreiben. Da die niederfrequenten Lastströme hierbei wiederum über den Generator geführt werden, müssen die verwendeten Kondensatoren nur den hochfrequenten Laststromanteil führen, d.h. auch bei einem Parallelbetrieb müssen die Kondensatoren nicht größer dimensioniert werden.The low-frequency load current is passed through the generator, only high-frequency load current components are passed through the capacitors. In addition, the loadable center tap makes it possible, in particular, to connect several half-bridges in parallel and connect them, for. B. operate in parallel mode. Since the low-frequency load currents are in turn passed through the generator, the capacitors used must only carry the high-frequency load current component, i. even with parallel operation, the capacitors do not have to be dimensioned larger.
Ferner ist der erste Mittenabgriff nicht über eine Drossel zu stützen, wie es bei dem Wandlerschaltkreis der WO 2006/035612 A erforderlich ist.Furthermore, the first center tap is not to be supported via a throttle, as is required in the converter circuit of WO 2006/035612 A.
Die zwei Schalter des Zwischenkreises ermöglichen eine aktive Symmetrierung der über den Kondensatoren anliegenden Spannungen, wie es auch in dem Dokument WO 02/09267 offenbart ist. Erfindungsgemäß wird jedoch anstelle der an den Zwischenkreis üblicherweise angeschlossenen Vollbrücke nur eine Halbbrückenschaltung vorgesehen, um eine Wechselspannung zwischen einem zweiten Mittenabgriff dieser Halbbrückenschaltung und dem ersten Mittenabgriff bereitzustellen. Vorzugsweise ist ferner die Gleichrichtungsschaltung eine ungeregelte, d.h. ungepuls- te Gleichrichtungsschaltung, und der Generator ist vorzugsweise bereits konstruktiv dazu ausgelegt, einen möglichst konstanten Strom am Ausgang der nachgeschalteten ungepulsten Gleichrichtungsschaltung zu liefern.The two switches of the intermediate circuit enable an active balancing of the voltages applied across the capacitors, as is also disclosed in document WO 02/09267. According to the invention, however, only a half-bridge circuit is provided in place of the full bridge usually connected to the intermediate circuit in order to provide an alternating voltage between a second center tap of this half-bridge circuit and the first center tap. Preferably, furthermore, the rectification circuit is an unregulated, ie, unpulsed, rectification circuit, and the generator is preferably already structurally designed to supply as constant a current as possible at the output of the downstream, unpulsed rectification circuit.
Ein mit dem elektrischen Wandlerschaltkreis ausgestatteter Stromerzeuger kann insbesondere ein mobiler Stromerzeuger, insbesondere in Form eines von einer Person tragbaren Stromerzeugers sein. Der Wandlerschaltkreis lässt sich jedoch auch für andere Stromerzeuger verwenden, insbesondere für halbmobile Stromerzeuger für den professionellen Gebrauch.A power generator equipped with the electric converter circuit can be, in particular, a mobile power generator, in particular in the form of a power generator that can be worn by a person. However, the converter circuit can also be used for other power generators, in particular for semi-mobile power generators for professional use.
Ferner wird die obige Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Ansteuern eines erfindungsgemäßen Wandlerschaltkreises, wobei die Steuereinrichtung die zwei Schalter in einem Lastbetrieb beide öffnet, wenn sich die Spannungen über den Kondensatoren durch direkte Speisung aus einem den Wandlerschaltkreis treibenden Generator bereits in einem gewünschten Spannungsbereich befinden.Furthermore, the above object is achieved by a method for driving a converter circuit according to the invention, wherein the control device opens the two switches in a load operation both when the voltages across the capacitors are already in a desired voltage range by direct supply from a converter driving the converter circuit.
Bei Lastbetrieb (beispielsweise unter Volllast) ergibt sich folglich am Ausgang des Wandlerschaltkreises im Wesentlichen die maximal zulässige Spannung. In der Regel ist keine Hochsetzung erforderlich. Auch eine Symmetrierung ist in der Regel nicht erforderlich, sofern die Last keine Unsymmetrie hervorruft. . Die Betriebsart, bei der beide Schalter offen sind, wird auch als „Free Running Mode" bezeichnet.During load operation (for example, under full load), consequently, the maximum permissible voltage essentially results at the output of the converter circuit. As a rule, no boost is required. Symmetrization is usually not required unless the load causes imbalance. , The mode in which both switches are open is also referred to as "Free Running Mode".
Die Aufgabe wird somit vollkommen gelöst.The task is thus completely solved.
Von besonderem Vorzug ist es, wenn die Wechselrichterschaltung wenigstens zwei Halbbrückenschaltungen aufweist und an ihrem Ausgang eine entsprechende Anzahl von Wechselspannungen bereitstellt. Hierdurch ist auf vergleichsweise einfache Weise, wie bei der eingangs genannten WO 06/035612 A, die Bereitstellung von mehreren, gegebenenfalls miteinander kombinierbaren Wechselspannungen möglich.It is particularly advantageous if the inverter circuit has at least two half-bridge circuits and provides a corresponding number of alternating voltages at its output. This makes it possible in a comparatively simple manner, as in the aforementioned WO 06/035612 A, to provide a plurality of AC voltages, which may be combined with each other.
Hierbei ist es von besonderem Vorteil, wenn die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, die Halbbrückenschaltungen entweder gleich- oder phasenversetzt anzusteuern, so dass die bereitgestellten Wechselspannungen gleichphasig oder phasenversetzt zueinander sind.In this case, it is of particular advantage if the control device is designed to control the half-bridge circuits either in the same or in phase, so that the AC voltages provided are in-phase or out of phase with one another.
Die Bereitstellung von gleichphasigen oder phasenversetzten Wechselspannungen kann je nach Anwendungsfall erfolgen.The provision of in-phase or phase-shifted AC voltages can be made depending on the application.
Von besonderem Vorteil ist es hierbei, wenn die Wechselrichterschaltung genau zwei Halbbrückenschaltungen aufweist und an ihrem Ausgang zwei Wechselspannungen bereitstellt, die je nach Ansteuerung der Halbbrückenschaltungen gleich- oder ge- genphasig sind.It is of particular advantage in this case if the inverter circuit has exactly two half-bridge circuits and provides two alternating voltages at its output which, depending on the control of the half-bridge circuits, are equal or inverse phase.
Auf diese Weise ist es auf einfache Weise möglich, die zwei Wechselspannungen miteinander zu kombinieren oder aber auch individuell zu nutzen. Selbst bei dem Anschluss einer Last an nur einer der zwei Wechselspannungen ist es möglich, durch aktive Symmetrierung des Zwischenkreises die vollständige Funktion des Wandlerschaltkreises zu gewährleisten.In this way, it is easily possible to combine the two alternating voltages with each other or to use individually. Even with the connection of a load to only one of the two alternating voltages, it is possible to ensure the complete function of the converter circuit by active balancing of the intermediate circuit.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform weist die Wechselrichterschaltung drei Halbbrückenschaltungen auf und stellt an ihrem Ausgang drei Wechselspannungen bereit, die drehstromartig phasenversetzt zueinander sind.According to an alternative embodiment, the inverter circuit has three half-bridge circuits and provides at its output three alternating voltages, which are three-phase in phase opposition to one another.
Auf diese Weise kann mit vergleichsweise einfachen Mitteln eine Art Drehstrom bereitgestellt werden, wobei der erste Mittenabgriff einen echten belastbaren Neutralleiter bilden kann (echtes Vierleitersystem). Insgesamt ist es ebenfalls bevorzugt, wenn mit dem Ausgang der Wechselrichterschaltung unterschiedliche kodierte Steckdosen zum Anschließen von elektrischen Lasten verbindbar sind, die jeweils mit der Steuereinrichtung verbindbar sind, so dass die Steuereinrichtung je nach mit dem Ausgang verbundener Steckdose an dem ersten und dem zweiten Mittenabgriff geeignete Potentiale erzeugt.In this way, a kind of three-phase current can be provided with comparatively simple means, wherein the first center tap can form a real loadable neutral conductor (true four-wire system). Overall, it is also preferred if different encoded sockets for connecting electrical loads can be connected to the output of the inverter circuit, which are each connectable to the control device, so that the control device suitable depending on the outlet connected to the outlet at the first and the second center tap Potentials generated.
Bei diese Ausführungsform kann der universelle Charakter des erfindungsgemäßen Wandlerschaltkreises vorteilhaft genutzt werden. Durch die Bereitstellung unterschiedlicher Steckdosen (beispielsweise für die Anwendung in den USA oder die Anwendung in Europa) kann über eine geeignete Kodierung von der jeweiligen Steckdose eine Information für die Steuereinrichtung bereitgestellt werden. Dies ermöglicht es, die Steuereinrichtung so zu betreiben, dass sie für den jeweiligen Anwendungsfall bzw. das jeweilige Anwendungsgebiet geeignete Wechselspannungen bereitstellt.In this embodiment, the universal character of the converter circuit according to the invention can be used advantageously. By providing different sockets (for example, for use in the US or the application in Europe) can be provided via a suitable coding of the respective socket information for the control device. This makes it possible to operate the control device so that it provides suitable AC voltages for the respective application or the respective field of application.
Es versteht sich, dass die Steckdosen Kodierungen tragen können, die von der Steuereinrichtung abgefragt werden, oder aber auch aktiv ihren Zustand an die Steuereinrichtung „melden" können.It is understood that the sockets can carry codes that are queried by the controller, or can also actively "report" their state to the controller.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es von besonderem Vorteil, wenn die Steuereinrichtung einen Schalter schließt, wenn die über dem hierzu parallelen Kondensator anliegende Spannung einen Maximalwert überschreitet.In the method according to the invention, it is of particular advantage if the control device closes a switch if the voltage applied across the capacitor parallel thereto exceeds a maximum value.
Bei dieser Ausführungsform wird entweder ein einzelner Schalter oder es werden beide Schalter geschlossen, was dazu führen kann, dass der Generator kurzgeschlossen wird. Es versteht sich, dass diese Betriebsart in der Regel nur relativ kurz angewendet wird, beispielsweise bei einem plötzlichen Lastabwurf, was zu einer Erhöhung der Kondensatorspannungen führen kann. Diese bevorzugte Betriebsart wird auch als „Backward-Control-Mode" bezeichnet. Ferner versteht sich hierbei, dass der Generator generell kurzschlussfest ausgebildet sein muss.In this embodiment, either a single switch or both switches are closed, which may result in the generator being shorted. It is understood that this mode is usually applied only relatively short, for example, in a sudden load shedding, which can lead to an increase in the capacitor voltages. This preferred mode is also referred to as "backward control mode". It should also be understood that the generator generally has to be short-circuit proof.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens öffnet und schließt die Steuereinrichtung die zwei Schalter abwechselnd, um die über den Kondensatoren anliegende Spannung zu erhöhen, und zwar dann, wenn die Drehzahl eines den Wandlerschaltkreis treibenden Generators kleiner ist als eine vorbestimmte Drehzahl. Dieser Modus, bei dem die Kondensatoren über kreuzweise aufgeladen werden, wird vorzugsweise in einem Teillastbereich verwendet. Beispielsweise ist die vorbestimmte Drehzahl ein Wert im Bereich von 1/2 bis 4/5 der Nenndrehzahl des Generators (und damit des Antriebsmotors). Vorzugsweise kann die ausgangsseitige Wechselspannung relativ gesehen hoch gehalten werden, wobei der Antriebsmotor mit einer deutlich verringerten Drehzahl laufen kann (um im Teillast- oder Leerlaufbetrieb Energie zu sparen). Die bevorzugte Betriebsart wird auch als „Voltage-Doubler-Mode" bezeichnet.According to another preferred embodiment of the method according to the invention, the control means alternately opens and closes the two switches to increase the voltage across the capacitors, when the speed of a generator driving the converter circuit is less than a predetermined speed. This mode, in which the capacitors are charged crosswise, is preferably used in a partial load range. For example, the predetermined speed is a value in the range of 1/2 to 4/5 of the rated speed of the generator (and thus the drive motor). Preferably, the output AC voltage can be kept relatively high, wherein the drive motor can run at a significantly reduced speed (to save energy in part-load or idle mode). The preferred mode is also referred to as "Voltage Doubler Mode".
Bei den bislang beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens müssen die Schalter nur mit relativ niedrigen Frequenzen betrieben werden, so dass die Schalter jeweils kostengünstig ausgebildet sein können.In the embodiments of the method according to the invention described so far, the switches only have to be operated at relatively low frequencies, so that the switches can each be formed inexpensively.
Es ist jedoch vorteilhaft, eine weitere Betriebsart vorzusehen, um Lastspitzen abzufangen. Hierbei taktet die Steuereinrichtung beide Schalter kurzzeitig mit hoher Frequenz, um hierdurch die über dem Kondensator-Reihenkreis anliegende Spannung zu erhöhen.However, it is advantageous to provide another mode to intercept load peaks. In this case, the control device clocks both switches for a short time at high frequency, thereby increasing the voltage applied across the capacitor series circuit voltage.
Bei dieser Ausführungsform müssen die beiden Schalter für ein relativ hochfrequentes Takten ausgelegt sein (beispielsweise im Bereich von 4-10 kHz). Die Ausgangsspannung des Generators kann dabei unter Ausnutzung der Streuinduktivität des Generators hochgesetzt werden. Diese Betriebsart eignet sich insbesondere wenn die Kombination aus Motor und Generator ein großes Massenträgheitsmoment aufweist.. Bei dieser Betriebsart werden vergleichsweise hohe elektronische Störungen (EMV) erzeugt, so dass dieser Modus bevorzugt bei Anwendungen mit Lasten >10 kVA implementiert wird. Dieser Betriebsmodus wird auch als „Boost-Modus" bezeichnet.In this embodiment, the two switches must be designed for a relatively high-frequency clocking (for example in the range of 4-10 kHz). The output voltage of the generator can be increased by taking advantage of the leakage inductance of the generator. This operating mode is particularly suitable if the combination of motor and generator has a large mass moment of inertia. In this operating mode comparatively high electronic disturbances (EMC) are generated, so that this mode is preferably implemented in applications with loads> 10 kVA. This mode of operation is also referred to as "boost mode".
In dem „Voltage-Doubler-Mode" und in dem „Backward-Control-Mode" kann gegebenenfalls eine Symmetrierung der über den Kondensatoren anliegenden Spannungen erfolgen, falls diese nicht den gleichen Betragswert aufweisen. Dies könnte beispielsweise durch eine unsymmetrische Belastung am Ausgang hervorgerufen werden. Durch entsprechendes Öffnen und Schließen der Schalter kann in diesen Betriebsarten die Symmetrierung erfolgen.In the "voltage doubler mode" and in the "backward control mode", a balancing of the voltages applied across the capacitors can optionally take place, if they do not have the same absolute value. This could be caused, for example, by an unbalanced load at the output. By appropriately opening and closing the switch, the symmetrization can take place in these operating modes.
Generell ist es auch denkbar, in dem „Free-Running-Mode" eine Symmetrierung durchzuführen, sofern dies notwendig ist.In general, it is also conceivable to perform a balancing in the "free-running mode", if necessary.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description. Show it:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Stromerzeugers;Fig. 1 is a schematic block diagram of a power generator according to the invention;
Fig. 2 ein detaillierteres Schaltungsdiagramm des Stromerzeugers der Fig. 1, wobei die Wechselrichterschaltung zwei Halbbrückenschaltungen aufweist; Fig. 3 eine Detailansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromerzeugers, wobei die Wechselrichterschaltung eine einzelne Halbbrückenschaltung aufweist;Fig. 2 is a more detailed circuit diagram of the power generator of Fig. 1, the inverter circuit having two half-bridge circuits; 3 shows a detailed view of a further embodiment of a power generator according to the invention, wherein the inverter circuit has a single half-bridge circuit;
Fig. 4 eine Detailansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromerzeugers, wobei die Wechselrichterschaltung drei Halbbrückenschaltungen aufweist;4 shows a detailed view of a further embodiment of a power generator according to the invention, wherein the inverter circuit has three half-bridge circuits;
Fig. 5 in schematischer Form eine mögliche Kodierung von Steckdosen eines erfindungsgemäßen Stromerzeugers;5 shows in schematic form a possible coding of sockets of a power generator according to the invention;
Fig. 6 ein Schaltungsdiagramm eines Teils der Wechselrichterschaltung der Fig. 2 mit einer parallel hierzu angeschlossenen OVC-Halbbrücke zum Abbau von Spannungen;FIG. 6 is a circuit diagram of a portion of the inverter circuit of FIG. 2 with an OVC half bridge connected thereto for reducing voltages; FIG.
Fig. 7 ein Stromlaufplan des erfindungsgemäßen Stromerzeugers in dem „Free- Running-Mode";7 shows a circuit diagram of the power generator according to the invention in the "free-running mode";
Fig. 8 Stromlaufpläne des erfindungsgemäßen Stromerzeugers in dem „Voltage- Doubler-Mode";FIG. 8 shows circuit diagrams of the power generator according to the invention in the "voltage doubler mode"; FIG.
Fig. 9 ein Stromlaufplan des erfindungsgemäßen Stromerzeugers in dem „Back- ward-Con trol-Mode " ;FIG. 9 shows a circuit diagram of the power generator according to the invention in the "backward-control mode"; FIG.
Fig. 10 Stromlaufpläne des erfindungsgemäßen Stromerzeugers in dem „Boost-10 are circuit diagrams of the power generator according to the invention in the "boost"
Mode"; undFashion "; and
Fig. 11 in schematischer Form vier Betriebsarten des erfindungsgemäßenFig. 11 in schematic form four modes of the invention
Stromerzeugers in Abhängigkeit von der jeweiligen Zwischenkreisspannung. In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromerzeugers (Gen-Set) generell mit 10 bezeichnet.Generator in dependence on the respective DC link voltage. In Fig. 1, a first embodiment of a power generator according to the invention (gene set) is generally designated 10.
Der Stromerzeuger 10 kann insbesondere ein tragbarer Stromerzeuger sein, wobei die nachfolgend beschriebenen Komponenten in einem gemeinsamen Gehäuse oder an einem gemeinsamen Gestell festgelegt sind, was jedoch in den Figuren nicht näher dargestellt ist.The power generator 10 may in particular be a portable power generator, wherein the components described below are defined in a common housing or on a common frame, which is not shown in more detail in the figures.
Der Stromerzeuger 10 weist einen Antriebsmotor 12 in Form eines Verbrennungsmotors (Diesel oder Benzin) sowie einen elektrischen Generator 14 auf. Der elektrische Generator 14 ist mit einer permanentmagnetischen Erregung ausgestattet, wie es schematisch durch den dargestellten Magneten angedeutet ist.The power generator 10 has a drive motor 12 in the form of an internal combustion engine (diesel or gasoline) and an electric generator 14. The electric generator 14 is equipped with a permanent magnetic excitation, as indicated schematically by the magnet shown.
Der elektrische Generator 14 stellt (beispielsweise an entsprechenden Statorwicklungen) eine dreiphasige Wechselspannung 16 bereit, die dem erfindungsgemäßen Wandlerschaltkreis zugeführt wird, der in Fig. 1 generell mit 20 bezeichnet ist.The electric generator 14 provides (for example, at respective stator windings) a three-phase AC voltage 16, which is supplied to the converter circuit according to the invention, which is generally designated 20 in FIG.
Der Wandlerschaltkreis 20 stellt an seinem Ausgang eine Ausgangsspannung 22 oder eine Mehrzahl von Ausgangsspannungen bereit, was nachfolgend noch erläutert werden wird.The converter circuit 20 provides at its output an output voltage 22 or a plurality of output voltages, which will be explained below.
Der Wandlerschaltkreis 20 weist eine Gleichrichtungs-/Leistungssteuerungsanord- nung 24 auf, die, wie nachstehend noch erläutert werden wird, eine ungeregelte Gleichrichtungsschaltung 3 und Zwischenkreis 4 beinhaltet. Der Ausgang der Gleich- richtungs-/Leistungssteuerungsanordnung 24 ist mit einer Wechselrichteranordnung 26 verbunden. Der Ausgang der Wechselrichteranordnung 26 ist über nicht näher bezeichnete Glättungsglieder (LC-Glieder) mit einer Last 28 verbindbar, die hierdurch mit der Ausgangsspannung(en) 22 versorgt wird.The converter circuit 20 has a rectification / power control arrangement 24 which, as will be explained below, includes an unregulated rectification circuit 3 and intermediate circuit 4. The output of the rectification / power control arrangement 24 is connected to an inverter arrangement 26. The output of the inverter assembly 26 is connected via unspecified smoothing members (LC members) with a load 28, which is thereby supplied with the output voltage (s) 22.
Der Wandlerschaltkreis 20 weist ferner eine allgemein mit 30 bezeichnete Steuervorrichtung auf. Die Steuervorrichtung 30 beinhaltet eine Steuereinrichtung 32 für die Gleichrichtungs-/Leistungssteueningsanordnung 24 und eine Steuereinrichtung 34 für die Wechselrichteranordnung 26.The converter circuit 20 further includes a controller generally indicated at 30. The control device 30 includes a control device 32 for the Rectifier / power controller assembly 24 and controller 34 for inverter assembly 26.
Bei 36 ist ferner in schematischer Form eine Steckdose 36 dargestellt, an der die Ausgangsspannung(en) 22 bereitgestellt wird.At 36, there is also shown in schematic form a socket 36 to which the output voltage (s) 22 is provided.
Die Steuereinrichtung 32 misst den Strom an den Parallelklemmen am Ausgang der Gleichrichtungs-/Leistungssteuerungsanordnung 24 und misst ferner die Spannungen zwischen den Parallelklemmen und einem nicht näher bezeichneten Mittenleiter. Die Steuereinrichtung 32 steuert über einen Treiber zwei Schalter der Gleich- richtungs-/Leistungssteuerungsanordnung 24 an.The controller 32 measures the current at the parallel terminals at the output of the rectification / power control assembly 24 and also measures the voltages between the parallel terminals and a center conductor, not further specified. The control device 32 activates two switches of the rectification / power control arrangement 24 via a driver.
Ferner empfängt die Steuereinrichtung 32 die Drehfrequenz des Generators 14 oder ein Signal, aus dem die Drehfrequenz bestimmt werden kann - beispielsweise ein oder mehrere Pulse pro Umdrehung - und ist ebenfalls dazu ausgelegt, den Antriebsmotor 12 zu steuern, beispielsweise über die Drosselklappenstellung.Further, the controller 32 receives the rotational frequency of the generator 14 or a signal from which the rotational frequency can be determined - for example, one or more pulses per revolution - and is also designed to control the drive motor 12, for example via the throttle position.
Die Steuereinrichtung 34 für die Wechselrichteranordnung 26 empfängt die gleichen Messsignale vom Ausgang der Gleichrichtungs-/Leistungssteuerungsanordnung 24 und empfängt ferner entsprechende elektrische Messsignale von der Ausgangsseite der Wechselrichteranordnung 26. In der Wechselrichteranordnung 26 sind, wie nachstehend noch ausgeführt werden wird, zwei Halbbrücken vorgesehen, die jeweils über zwei Schalter verfügen. Die Schalter werden von der Steuereinrichtung 34 über einen entsprechenden Treiber angesteuert.The control device 34 for the inverter assembly 26 receives the same measurement signals from the output of the rectification / power control assembly 24 and further receives corresponding electrical measurement signals from the output side of the inverter assembly 26. In the inverter assembly 26, as will be explained below, two half-bridges are provided each have two switches. The switches are controlled by the control device 34 via a corresponding driver.
Die Steuereinrichtung 34 empfängt ferner eine Referenzspannung U* ref.The controller 34 further receives a reference voltage U * re f.
Fig. 2 zeigt den in Fig. 1 dargestellten Stromerzeuger 10 in Form eines Gleichrichter- schaltungsdiagrammes. Die einzelnen Abschnitte des Stromerzeugers sind mit 1 bis 6 durchnummeriert, wobei der Abschnitt 1 dem Antriebsmotor 12 entspricht, wobei der Abschnitt 2 dem Generator 14 entspricht, wobei der Abschnitt 3 der Gleichrichtungsschaltung entspricht, wobei der Abschnitt 4 dem Zwischenkreis entspricht, wobei der Abschnitt 5 der Wechselrichteranordnung 26 entspricht und wobei der Abschnitt 6 der Lastanordnung 28 entspricht.FIG. 2 shows the power generator 10 shown in FIG. 1 in the form of a rectifier circuit diagram. The individual sections of the power generator are numbered 1 to 6, wherein the section 1 corresponds to the drive motor 12, wherein the section 2 corresponds to the generator 14, wherein the section 3 corresponds to the rectification circuit, the section 4 corresponds to the intermediate circuit, wherein the section. 5 corresponds to the inverter assembly 26 and wherein the portion 6 of the load assembly 28 corresponds.
Es ist gezeigt, dass die Gleichrichtungsschaltung 3 als eine ungeregelte Gleichrichtungsschaltung mit insgesamt sechs Dioden 3-1, 3-2, ... 3-6 ausgebildet ist. Am Ausgang der Gleichrichtungsschaltung steht eine Zwischenkreisspannung U∑κ an. Die Zwischenkreisspannung UZK liegt zwischen einem ersten Zwischenkreisleiter 40 und einem zweiten Zwischenkreisleiter 42 an.It is shown that the rectification circuit 3 is formed as an unregulated rectification circuit with a total of six diodes 3-1, 3-2, ... 3-6. At the output of the rectification circuit is an intermediate circuit voltage UΣκ. The intermediate circuit voltage UZK is applied between a first intermediate circuit conductor 40 and a second intermediate circuit conductor 42.
Der Zwischenkreis 4 weist eine Reihenschaltung aus zwei Schaltern 4-1, 4-4 auf, die mittels der Steuereinrichtung 32 angesteuert werden. Die Schalter 4-1, 4-4 können von der Steuereinrichtung 32 unabhängig voneinander angesteuert werden.The intermediate circuit 4 has a series connection of two switches 4-1, 4-4, which are controlled by means of the control device 32. The switches 4-1, 4-4 can be controlled independently of one another by the control device 32.
Der Zwischenkreis 4 weist ferner eine Reihenschaltung aus zwei Kondensatoren 4-5, 4-2 auf. Die zwei Reihenschaltungen sind über Fängerdioden 4-6, 4-3 miteinander verbunden. Die Reihenschaltung aus den zwei Schaltern 4-1, 4-4 ist unmittelbar mit dem ersten und dem zweiten Zwischenkreisleiter 40, 42 verbunden.The intermediate circuit 4 also has a series connection of two capacitors 4-5, 4-2. The two series circuits are connected to each other via catcher diodes 4-6, 4-3. The series connection of the two switches 4-1, 4-4 is directly connected to the first and the second intermediate circuit conductor 40, 42.
Die Reihenschaltung aus den zwei Kondensatoren 4-5, 4-2 ist mit einem ersten Wechselrichterleiter 46 bzw. einem zweiten Wechselrichterleiter 48 verbunden.The series connection of the two capacitors 4-5, 4-2 is connected to a first inverter conductor 46 and a second inverter conductor 48, respectively.
Die zwei Schalter und die zwei Kondensatoren sind in einem ersten Mittenabgriff 44 miteinander verbunden. Über dem einen Kondensator 4-5 liegt eine Spannung U« an. Über dem anderen Kondensator 4-2 liegt eine entsprechende Kondensatorspannung U4-Z an. An dem Ausgang des Zwischenkreises 4 ist ein Wechselrichterabschnitt 5a angeschlossen, der eine erste Halbbrücke aus zwei Schaltern 5a-l, 5a-2 und eine zweite, hierzu parallele Halbbrücke aus zwei Schaltern 5a-6, 5a-7 aufweist. Die erste Halbbrücke ist in Fig. 2 generell mit 49A bezeichnet, die zweite Halbbrücke mit 49B.The two switches and the two capacitors are connected together in a first center tap 44. About the one capacitor 4-5 is a voltage U «on. Above the other capacitor 4-2 is a corresponding capacitor voltage U 4- Z. At the output of the intermediate circuit 4, an inverter section 5a is connected, which has a first half-bridge of two switches 5a-l, 5a-2 and a second, parallel thereto half-bridge of two switches 5a-6, 5a-7. The first half-bridge is generally designated 49A in FIG. 2, the second half-bridge 49B.
Die Schalter 5a-l, etc. werden von der Steuereinrichtung 34 angesteuert.The switches 5a-l, etc. are controlled by the control device 34.
Die in Fig. 2 dargestellten Schalter des Zwischenkreises 4 bzw. des Wechselrichterabschnittes 5a können jeweils als IGBTs oder als andere Halbleiterschalter ausgebildet sein. Eine in der Fig. 2 jeweils über dem Schalter vorgesehene Diode kann je nach Bedarf vorgesehen werden oder auch ggf. weggelassen werden.The switches of the intermediate circuit 4 or of the inverter section 5a shown in FIG. 2 can each be designed as IGBTs or as other semiconductor switches. A diode provided in each case above the switch can be provided as required or else possibly omitted.
Zwischen den zwei Schaltern 5a-l, 5a-2 der ersten Halbbrücke 49A wird ein Mittenabgriff 5OA bereitgestellt. In entsprechender Form ist zwischen den zwei Schaltern 5a-6, 5a-7 der zweiten Halbbrücke 49B ein weiterer Mittenabgriff 5OB bereitgestellt.Between the two switches 5a-1, 5a-2 of the first half-bridge 49A, a center tap 5OA is provided. In a corresponding form, another center tap 5OB is provided between the two switches 5a-6, 5a-7 of the second half-bridge 49B.
Der Mittenabgriff 5OA ist über einen ersten Ausgangsleiter 52 und ein erstes LC-FiI ter (aus einer Spule 15a-3 und einem Kondensator 15a-4) mit einer ersten Ausgangsklemme 60 (A) verbunden. Zwischen der ersten Ausgangsklemme 60 und dem mit dem Mittenabgriff 44 verbundenen Mittelpunktleiter N liegt eine erste Ausgangsspannung UAN an.The center tap 50A is connected to a first output terminal 60 (A) through a first output conductor 52 and a first LC filter (composed of a coil 15a-3 and a capacitor 15a-4). A first output voltage UAN is applied between the first output terminal 60 and the center conductor N connected to the center tap 44.
In entsprechender Weise ist der weitere Mittenabgriff 50B über einen zweiten Ausgangsleiter 54 und ein zweites LC-Filter 56B mit einer zweiten Ausgangsklemme 62 (B) verbunden. Zwischen dem Mittelpunktleiter N und der zweiten Ausgangsklemme 62 liegt eine zweite Ausgangsspannung UNB an.Likewise, the further center tap 50B is connected to a second output terminal 62 (B) via a second output conductor 54 and a second LC filter 56B. Between the center conductor N and the second output terminal 62 is applied to a second output voltage UNB.
Die Spannungen UAN, UNB liegen jeweils über den Kondensatoren 5a-4 bzw. 5a-9 der LC-Filter 56A bzw. 56B an. Die Last 28 kann nun entweder an eine der zwei Spannungen UAN, UNB angeschlossen werden oder aber an die zwei Anschlussklemmen A, B, so dass die Gesamtspannung aus diesen zwei Spannungen an die Last angelegt wird. Auch andere Lastkombinationen sind denkbar, wie nachstehend noch erläutert werden wird.The voltages UAN, UN B are respectively applied across the capacitors 5a-4 and 5a-9 of the LC filters 56A and 56B. The load 28 can now be connected either to one of the two voltages U A N, UN B or to the two terminals A, B, so that the total voltage from these two voltages is applied to the load. Other load combinations are conceivable, as will be explained below.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Stromerzeugers 10'. Der Stromerzeuger 10' entspricht hinsichtlich Aufbau und Funktionsweise generell dem Stromerzeuger 10 der Fig. 1 und 2. Im Folgenden werden lediglich Unterschiede erläutert.Fig. 3 shows another embodiment of a power generator 10 '. The power generator 10 'generally corresponds in terms of design and operation to the power generator 10 of FIGS. 1 and 2. Only differences will be explained below.
So weist der Wechselrichterabschnitt 5b lediglich eine einzelne Halbbrücke 49' auf, die zwei Schalter 5b-l, 5b-2 beinhaltet. Zwischen diesen zwei Schaltern 5b-l, 5b-2 ist ein einzelner Mittenabgriff 50' vorgesehen.Thus, the inverter section 5b has only a single half-bridge 49 'which includes two switches 5b-1, 5b-2. Between these two switches 5b-l, 5b-2, a single center tap 50 'is provided.
Es wird lediglich eine einzige Ausgangsspannung UAN bereitgestellt, die zwischen einer ersten Ausgangsklemme A und dem Mittelpunktleiter N anliegt, der mit dem ersten Mittenabgriff 44 verbunden ist.Only a single output voltage UAN is provided, which is applied between a first output terminal A and the center conductor N, which is connected to the first center tap 44.
Somit lassen sich einphasige sinusförmige Ausgangsspannungen UAN erzeugen, deren maximale Spannungsamplitude von der Spannung über den Kondensatoren 4-5, 4-2 abhängt.Thus, single-phase sinusoidal output voltages UAN can be generated whose maximum voltage amplitude depends on the voltage across the capacitors 4-5, 4-2.
In Fig. 4 ist eine weitere alternative Ausführungsform eines Stromerzeugers 10" dargestellt. Der Stromerzeuger 10" entspricht hinsichtlich Aufbau und hinsichtlich Funktionsweise generell dem Stromerzeuger 10 der Fig. 1 und 2. Im Folgenden werden lediglich Unterschiede erläutert.A further alternative embodiment of a power generator 10 "is shown in Figure 4. The power generator 10" generally corresponds in terms of design and operation to the power generator 10 of Figures 1 and 2. Only differences will be explained below.
So weist der Wechselrichterabschnitt 5c des Stromerzeugers 10" drei Halbbrückenschaltungen 49A", 49B", 49C" auf, mit jeweiligen Mittenabgriffen 50A", 50B" bzw. 50C". Die Mittenabgriffe 5OA", 5OB", 5OC" sind jeweils über LC-Filter 56A", 56B", 56C" mit nicht näher bezeichneten Ausgangsklemmen verbunden. Über den Kondensatoren der LC-Filter liegen Ausgangsspannungen UAN" UBN", UCN" an. Die drei Ausgangsspannungen können drehstromartig dreiphasig ausgebildet sein. Durch den belastbaren Neutralleiter N, der mit dem ersten Mittenabgriff 44 verbunden ist, wird ein echtes Vierleitersystem gebildet.Thus, the inverter section 5c of the power generator 10 "has three half-bridge circuits 49A", 49B ", 49C" with respective center taps 50A ", 50B" and 50C ", respectively. The center taps 5OA ", 5OB", 5OC "are each connected via LC filters 56A", 56B ", 56C" to unspecified output terminals. Output voltages UAN "UBN", UCN "are applied across the capacitors of the LC filters, and the three output voltages can be three-phase in three-phase form. The loadable neutral conductor N, which is connected to the first center tap 44, forms a true four-conductor system.
Die Stromerzeuger 10, 10', 10" in Fig. 1 bis 4 basieren jeweils auf dem gleichen Grundaufbau und können trotz unterschiedlicher Anwendungsfälle mit dem gleichen Antriebsmotor 12, dem gleichen Generator 14 und der gleichen Gleichrich- tungs-/Leistungssteuerungsanordnung 24 betrieben werden.The current generators 10, 10 ', 10 "in FIGS. 1 to 4 are each based on the same basic structure and, despite different applications, can be operated with the same drive motor 12, the same generator 14 and the same rectification / power control arrangement 24.
Der Zwischenkreis 24 bzw. 4 ist in allen Fällen jeweils in dem „Free-Running-Mode", dem „Voltage-Doubler-Mode", dem „Backward-Control-Mode" zu betreiben. Ggf. ist für Anwendungen mit größeren Lasten auch vorgesehen, den „Boost-Mode" einzurichten.In all cases, the intermediate circuit 24 or 4 must be operated in the free-running mode, the voltage-doubler mode, the backward-control mode, etc. For applications with larger loads, this may also be the case intended to set up the "boost mode".
In Fig. 5 ist in schematischer Form die Kodierung von unterschiedlichen Steckdosen 36 gezeigt, die austauschweise am Ausgang der Wechselrichteranordnung 26 der Fig. 1 und 2 angeschlossen werden können.In Fig. 5, the coding of different sockets 36 is shown in a schematic form, which can be connected interchangeably at the output of the inverter assembly 26 of FIGS. 1 and 2.
Die Kodierung kann beispielsweise mit 2 Bit erfolgen, so dass sich vier unterschiedliche Kombinationen ergeben.The coding can be done, for example, with 2 bits, resulting in four different combinations.
In einer Kombination X wird eine Spannung V von 230 Volt und mit einer Frequenz f von 50 Hertz bereitgestellt, was in Fig. 5 als „Series-Mode" dargestellt ist. Eine ähnliche Spannung, die ebenfalls in „Series-Mode" einrichtbar ist, kann auch mit 60 Hertz bereitgestellt werden (Kodierung Y).In a combination X, a voltage V of 230 volts and with a frequency f of 50 Hertz is provided, which is shown in Fig. 5 as a "series mode." A similar voltage, which can also be set up in "series mode", can also be provided with 60 Hertz (Encoding Y).
Andererseits ist es auch möglich, die Steckdose mit der Kodierung Z zu versehen, wodurch beispielsweise ein „Parallel-Mode" einrichtbar ist, bei dem eine Last mit 115 Volt und gewöhnlich 60 Hertz zwischen den miteinander verbunden Anschlusskontakten A, B und dem Mittelpunktleiter N angeschlossen wird.On the other hand, it is also possible to provide the socket with the coding Z, whereby, for example, a "parallel mode" can be set up, in which a load of 115 Volt and usually 60 hertz between the interconnected terminal contacts A, B and the center conductor N is connected.
Eine weitere Anschlussmöglichkeit ist in Fig. 5 auf der rechten Seite gezeigt („series mode with loaded center-tap"), wobei über den Klemmen A, B eine Spannung von 240 Volt anliegt und hierbei eine Last angelegt werden kann, als auch jeweils Lasten zwischen den Klemmen A, B und dem Mittelpunktleiter N (jeweils mit 115 Volt).Another connection option is shown in Fig. 5 on the right side ("series mode with loaded center-tap"), wherein over the terminals A, B, a voltage of 240 volts is applied and in this case a load can be applied, as well as loads between the terminals A, B and the neutral conductor N (each with 115 volts).
Fig. 6 stellt den Wechselrichter 26 der Fig. 2 dar, wobei parallel zu den zwei Halbbrücken 49A, 49B eine weitere Halbbrücke 70 zur Steuerung von Überspannungen angeschlossen ist. Ein Mittenabgriff der Halbbrücke 70 zur Steuerung von Überspannungen (Over Voltage Circuit, OVC) weist einen Mittenabgriff auf, der über einen Chopper- Widerstand 72 mit Masse verbunden ist.Fig. 6 illustrates the inverter 26 of Fig. 2, wherein parallel to the two half-bridges 49A, 49B, a further half-bridge 70 is connected to control overvoltages. A center tap of the Over Voltage Circuit (OVC) half bridge 70 has a center tap connected to ground via a chopper resistor 72.
Die zwei Schalter der OVC-Halbbrücke 70 sind normalerweise geöffnet, so dass der Wechselrichter 26 der Fig. 6 die gleiche Funktion hat wie der oben beschriebene Wechselrichter der Fig. 2.The two switches of the OVC half-bridge 70 are normally open, so that the inverter 26 of FIG. 6 has the same function as the inverter of FIG. 2 described above.
Die OVC-Halbbrücke kann Überspannungen vermeiden, die auftreten können, wenn Energie in den Zwischenkreis 4 zurückgespeist wird (bspw. beim Abbremsen einer angeschlossenen Last).The OVC half-bridge can avoid overvoltages that can occur when energy is fed back into the DC link 4 (eg when braking a connected load).
Eine derartige Spannungserhöhung kann aufgrund der Fängerdioden 4-6, 4-3 nicht durch die Schalter 4-1, 4-4 des Zwischenkreises abgebaut werden. Eine Spannungserhöhung kann dadurch vermieden bzw. reduziert werden, indem die zurückgespeiste Energie mittels des Chopper-Widerstandes 72 in Wärme umgewandelt wird. Dies kann generell für die Gesamtspannung erfolgen, erfolgt jedoch vorzugsweise mittels der Halbbrücke 70, derart, dass die Spannungsreduzierung für jeden Kondensator 4-5, 4-2 getrennt erfolgen kann. Die OVC-Halbbrücke ist ein optionales Merkmal der vorliegenden Erfindung, ist jedoch vergleichsweise preiswert zu realisieren, da für den Wechselrichter vorzugsweise ein dreiphasiges Modul eingesetzt wird. Ferner werden vorzugsweise nur zwei der Halbbrücken (nämlich die Halbbrücken 49 A, 49B) für die Modulation der Ausgangsspannung verwendetSuch a voltage increase can not be reduced by the switches 4-1, 4-4 of the intermediate circuit due to the catcher diodes 4-6, 4-3. A voltage increase can be avoided or reduced by converting the energy fed back into heat by means of the chopper resistor 72. This can generally be done for the total voltage, but is preferably done by means of the half-bridge 70, such that the voltage reduction for each capacitor 4-5, 4-2 can be done separately. The OVC half-bridge is an optional feature of the present invention, but is relatively inexpensive to implement, since a three-phase module is preferably used for the inverter. Furthermore, preferably only two of the half-bridges (namely, the half-bridges 49A, 49B) are used for the modulation of the output voltage
Die Fig. 7 bis 10 zeigen jeweils Stromablaufpläne des Stromes, der durch den Generator 2, den Gleichrichter 3 und die Leistungssteuerungseinrichtung 4 (Zwischenkreis 4) fließt, und zwar für7 to 10 respectively show current flow diagrams of the current flowing through the generator 2, the rectifier 3 and the power control device 4 (intermediate circuit 4), namely for
die vier oben beschriebenen Betriebsarten „Free-Running-Mode", „Voltage-Doubler- Mode", „Backward-Control-Mode" und „Boost-Mode". Fig. 7 zeigt zunächst den Generator 2 und den Gleichrichter 3 in Form eines Ersatzschaltbildes. Man erkennt, dass beide Schalter 4-1, 4-4 im „Free running mode" geöffnet sind, so dass der entsprechende Strom 78f vollständig über die Fängerdioden 4-6, 4-3 und die Kondensatoren 4-5, 4-2 fließt. Folglich fällt über den Kondensatoren eine entsprechende Spannung 8Of ab, die gleich der gleichgerichteten Spannung UR«* ist.the four Free-Running-Mode, Voltage-Doubler-Mode, Backward-Control-Mode, and Boost-Mode modes described above. Fig. 7 shows first the generator 2 and the rectifier 3 in the form of an equivalent circuit diagram. It can be seen that both switches 4-1, 4-4 are open in the "free running mode", so that the corresponding current 78f flows completely across the catcher diodes 4-6, 4-3 and the capacitors 4-5, 4-2 Consequently, a corresponding voltage 8Of, which is equal to the rectified voltage UR *, drops across the capacitors.
In Fig. 8 ist die gleiche Darstellungsform wie in Fig. 7 gewählt, wobei diesmal der „Voltage-Doubler-Mode" gezeigt ist. Hierbei werden, wie oben beschrieben, die Schalter 4-1, 4-4 alternierend angesteuert, so dass der Strom in einem Fall über die Fängerdiode 4-6, den Kondensator 4-5 und den Schalter 4-4 fließt, und im anderen Fall über den Schalter 4-1, den Kondensator 4-2 und die Fängerdiode 4-3.The same form of representation as in Fig. 7 is selected in Fig. 8, this time showing the "voltage doubler mode." In this case, as described above, the switches 4-1, 4-4 are driven alternately, so that the Current flows in one case via the catcher diode 4-6, the capacitor 4-5 and the switch 4-4, and in the other case via the switch 4-1, the capacitor 4-2 and the catcher diode 4-3.
Hierdurch ergibt sich über den Ausgangsklemmen des Zwischenkreises 4 eine verdoppelte Ausgangsspannung 2"IW. Der jeweilige Strom ist bei 78v, die Ausgangsspannung bei 80v dargestellt.This results in a doubled output voltage 2 "IW across the output terminals of the intermediate circuit 4. The respective current is shown at 78v, the output voltage at 80v.
Fig. 9 zeigt in entsprechender Weise den „Backward-Control-Mode". In diesem Betriebsmodus sind, wie oben beschrieben, beide Schalter 4-1, 4-4 geschlossen, so dass sich ein Strom 78bc ergibt. Die über den Kondensatoren 4-5, 4-2 abfallende Spannung ist folglich nominal Null.9 shows, in a corresponding manner, the "backward-control mode." In this operating mode, as described above, both switches 4-1, 4-4 are closed, see FIG that a current 78bc results. The voltage drop across capacitors 4-5, 4-2 is thus nominally zero.
Schließlich zeigt Fig. 10 zwei alternative Möglichkeiten zur Einrichtung des sogenannten „Boost-Mode".Finally, FIG. 10 shows two alternative possibilities for setting up the so-called "boost mode".
Auf der linken Seite ist der eine Boost-Mode gezeigt, bei dem die zwei Schalter 4-1, 4- 4 jeweils gleichzeitig ein- oder ausgeschaltet werden, jedoch mit einer deutlich höheren Taktfrequenz. Daher fließt jeweils ein entsprechender Strom 78bo und es ergibt sich eine Ausgangsspannung 80bo, die gleich LW (l-τ)/τ ist. τ entspricht dabei ein dem Tastverhältinis eines pulsweitenmodulierten Signals equivalenten Wertes zwischen Null und Eins.On the left side of the one boost mode is shown in which the two switches 4-1, 4- 4 are switched on or off at the same time, but with a much higher clock frequency. Therefore, a respective current flows 78bo and there is an output voltage 80bo, which is equal to LW (l-τ) / τ. In this case, τ corresponds to a value between zero and one that corresponds to the duty cycle of a pulse-width-modulated signal.
Eine entsprechende Ausgangsspannung lässt sich auch erreichen, wenn die zwei Schalter 4-1, 4-4 jeweils alternierend mit der höheren Taktfrequenz angesteuert werden.A corresponding output voltage can also be achieved if the two switches 4-1, 4-4 are each driven alternately with the higher clock frequency.
Fig. 11 zeigt im Diagramm 90 mögliche Betriebsarten der Stromerzeuger der Fig. 1 bis 4.FIG. 11 shows in diagram 90 possible operating modes of the current generators of FIGS. 1 to 4.
Der Normalbetrieb ist der „Free-Running-Mode". Dieser Modus ist der Modus, der für höhere Nennspannungen bei angeschlossener Last eingerichtet wird, also insbesondere in dem Nennspannungsbereich zwischen den Spannungen Voltage-Doubler-AUS und Backward-Control-AUS.Sofern ein Übergang in den Teillastbereich erfolgt, wird dann, wenn die Spannung bis auf „Voltage-Doubler-EIN" abfällt, dieser Modus eingeschaltet. Der Voltage-Doubler-Modus bleibt so lange eingeschaltet, bis wieder die Spannung Voltage-Doubler-AUS erreicht ist, die die untere Grenze des Nennspannungsbereiches definiert. Durch die derart eingestellte Hysterese für das Einbzw. Ausschalten der Betriebsart „Voltage-Doubler-Mode" ist gewährleistet, dass kein unnötiges Hin- und Herschalten zwischen den Betriebsmodi erfolgt. In entsprechender Weise erfolgt das Einschalten des Modus „Backward-Control" dann, wenn die Spannung „Backward-Control-EIN" erreicht ist. Dieser liegt deutlich oberhalb der Obergrenze des Nennspannungsbereiches, so dass auch hier eine Hysterese eingerichtet ist, um ein unnötiges Hin- und Herschalten zwischen den Betriebsarten zu vermeiden.Normal mode is "Free-Running Mode." This mode is the mode set up for higher rated voltages when the load is connected, ie, in the nominal voltage range between Voltage Doubler OFF and Backward Control OFF voltages Transition to the partial load range, then, when the voltage drops to "Voltage Doubler ON", this mode is turned on. The Voltage Doubler mode remains switched on until the Voltage Doubler OFF voltage is reached, which defines the lower limit of the nominal voltage range. Due to the thus set hysteresis for Einbzw. Switching off the operating mode "Voltage-Doubler-Mode" ensures that there is no unnecessary switching back and forth between the operating modes. In the same way, the "Backward-Control" mode is activated when the voltage "Backward-Control-ON" is reached. This is well above the upper limit of the rated voltage range, so that here too hysteresis is set up to avoid unnecessary switching back and forth between the modes.
Wenn die Spannung wieder auf den Wert Backward-Control-AUS abfällt, erfolgt wiederum der Übergang in den „Free-Running-Mode".When the voltage drops back to the value Backward-Control-OFF, the transition to the "Free-Running-Mode" takes place again.
Ferner ist in Fig. 11 die Anwendung des OVC-Modus gezeigt, der verwendet wird, wenn relativ hohe Spannungen (Überspannungen) auftreten, die bspw. durch eine lastseitige Energieeinspeisung hervorgerufen werden.Further shown in Fig. 11 is the application of the OVC mode, which is used when relatively high voltages (overvoltages) occur which are caused, for example, by a load side power supply.
Das Einschalten dieses Modus erfolgt wiederum bei einer sehr hohen Spannung OVC-EIN und das Ausschalten bei einer niedrigeren Spannung OVC-AUS. Zwischen den Spannungen OVC-AUS und Backward-Control-EIN ist eine Differenzspannung von > Null V eingerichtet, um wiederum ein unnötiges Hin- und Herschalten zwischen den Modi „OVC" und „Backward-Control" zu vermeiden.Turning this mode on again occurs at a very high OVC-ON voltage and turning off at a lower OVC-OFF voltage. Between the voltages OVC-OFF and Backward-Control-ON, a differential voltage of> 0 V is set up in order to prevent an unnecessary switching back and forth between the modes "OVC" and "Backward-Control".
In Fig. 11 ist ferner dargestellt, dass der Free-Running-Mode außerhalb des Nennspannungsbereiches zwischen Backward-Control-AUS und Voltage-Doubler-AUS standardmäßig eingerichtet ist (d.h. die zwei Schalter 4-1 und 4-4 sind geöffnet, sofern sich aufgrund der Zwischenkreisspannung nicht das Einschalten eines der anderen Modi ergibt). Daher ist der Free-Running-Mode in dem außerhalb des Nennspannungsbereich liegenden Spannungsbereich schraffiert dargestellt. It is further shown in FIG. 11 that the free-running mode is set outside the nominal voltage range between backward-control-off and voltage-doubler-off by default (ie, the two switches 4-1 and 4-4 are open, if provided) due to the DC link voltage does not result in switching on one of the other modes). Therefore, the free-running mode is shown hatched in the voltage range outside the rated voltage range.

Claims

Patentansprüche claims
1. Elektrischer Wandlerschaltkreis (20) zur Wechselumrichtung von elektrischen Leistungsgrößen, insbesondere für einen elektrischen Stromerzeuger (10), mit einer Gleichrichtungsschaltung (24, 3) , die mit dem elektrischen Ausgang (16) eines elektrischen Generators (14) verbindbar ist, einem Zwischenkreis (24, 4), der eingangsseitig mit der Gleichrichtungsschaltung (24, 3) verbunden ist und der ausgangsseitig mit einer Wechselrichterschaltung (26, 5) zur Erzeugung einer Wechselspannung (UAN) verbunden ist, wobei der Zwischenkreis (24, 4) eine Reihenschaltung aus zwei Schaltern (4-1, 4-4) und eine Reihenschaltung aus zwei Kondensatoren (4-5, 4-2) aufweist, wobei die Reihenschaltungen über Fängerdioden (4-6, 4-3) miteinander verbunden sind und wobei die Schalter (4-1, 4-4) und die Kondensatoren (4-5, 4-2) in einem ersten Mittenabgriff (44) miteinander verbunden sind, und mit einer Steuereinrichtung (30, 32, 34) zur unabhängigen Steuerung der Schalter (4-1, 4-4) und zur Steuerung der Wechselrichterschaltung (26, 5),An electrical converter circuit (20) for the exchange of electrical power quantities, in particular for an electric power generator (10), with a rectification circuit (24, 3) which is connectable to the electrical output (16) of an electrical generator (14), a DC link (24, 4), which is the input side connected to the rectification circuit (24, 3) and the output side with an inverter circuit (26, 5) for generating an alternating voltage (UAN) is connected, wherein the intermediate circuit (24, 4) is a series circuit two switches (4-1, 4-4) and a series connection of two capacitors (4-5, 4-2), wherein the series circuits via catcher diodes (4-6, 4-3) are interconnected and wherein the switches ( 4-1, 4-4) and the capacitors (4-5, 4-2) in a first center tap (44) are interconnected, and with a control device (30, 32, 34) for independently controlling the switch (4-4, 4-4). 1, 4-4) and to control the Inverter circuit (26, 5),
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
die Wechselrichterschaltung (26, 5) wenigstens eine mit dem Zwischenkreis (24, 3) verbundene Halbbrückenschaltung (49) mit einem zweiten Mittenabgriff (50) aufweist, wobei die von der Wechselrichterschaltung (26, 5) erzeugte Wechselspannung (UAN) aus den Potentialen an dem ersten und an dem zweiten Mittenabgriff (44, 50) abgeleitet ist.the inverter circuit (26, 5) has at least one half-bridge circuit (49) connected to the intermediate circuit (24, 3) with a second center tap (50), wherein the alternating voltage (UAN) generated by the inverter circuit (26, 5) from the potentials the first and at the second center tap (44, 50) is derived.
2. Wandlerschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselrichterschaltung (26, 5a) wenigstens zwei Halbbrückenschaltungen (49A, 49B; 49A", 49B", 49C") aufweist und an ihrem Ausgang eine entsprechende Anzahl von Wechselspannungen (UAN, UBN; U AN-, UBN-, UCN ) bereitstellt. Second converter circuit according to claim 1, characterized in that the inverter circuit (26, 5a) at least two half-bridge circuits (49A, 49B, 49A ", 49B", 49C ") and at its output a corresponding number of alternating voltages (UAN, UBN; U AN, UBN, UCN).
3. Wandlerschaltkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (34'; 34") dazu ausgelegt ist, die Halbbrückenschaltungen (49A, 49B; 49A", 49B", 49C") entweder gleich- oder phasenversetzt anzusteuern, so dass die bereitgestellten Wechselspannungen (UAN, UBN; UAN", IW', UCN") gleichphasig oder phasenversetzt zueinander sind.3. A converter circuit according to claim 2, characterized in that the control means (34 ', 34 ") is adapted to control the half-bridge circuits (49A, 49B, 49A", 49B ", 49C") either equal or out of phase, so that the provided AC voltages (UAN, UBN, UAN ", IW ', UCN") are in-phase or out of phase with each other.
4. Wandlerschaltkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselrichterschaltung (26, 5a) zwei Halbbrückenschaltungen (49A, 49B) aufweist und an ihrem Ausgang zwei Wechselspannungen (UAN, UBN) bereitstellt, die je nach Ansteuerung der Halbbrückenschaltungen (49 A, 49B) gleich- oder gegenphasig sind.4. converter circuit according to claim 3, characterized in that the inverter circuit (26, 5a) has two half-bridge circuits (49A, 49B) and at its output two AC voltages (UAN, UBN) provides, depending on the control of the half-bridge circuits (49 A, 49B ) are the same or opposite in phase.
5. Wandler Schaltkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselrichterschaltung (26, 5a) drei Halbbrückenschaltungen (49A, 49B) aufweist und an ihrem Ausgang drei Wechselspannungen (UAN, UBN) bereitstellt, die drehstromartig phasenversetzt zueinander sein können.5. converter circuit according to claim 3, characterized in that the inverter circuit (26, 5a) has three half-bridge circuits (49A, 49B) and at its output provides three AC voltages (UAN, UBN), which can be three-phase phase offset to each other.
6. Wandlerschaltkreis nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Ausgang der Wechselrichterschaltung (26, 5) unterschiedliche kodierte Steckdosen (36) zum Anschließen von elektrischen Lasten (28) verbindbar sind, die jeweils mit der Steuereinrichtung (30, 32, 34) verbindbar sind, so dass die Steuereinrichtung (30, 32, 34) je nach mit dem Ausgang verbundener Steckdose (36) an dem ersten und dem zweiten Mittenabgriff ( 49, 50) geeignete Potentiale erzeugt.6. converter circuit according to one of claims 1-5, characterized in that with the output of the inverter circuit (26, 5) different coded sockets (36) for connecting electrical loads (28) are connectable, each with the control device (30, 32, 34) are connectable, so that the control device (30, 32, 34) generates suitable potentials depending on the output connected to the outlet (36) at the first and the second center tap (49, 50).
7. Verfahren zum Ansteuern eines Wandlerschaltkreises nach einem der Ansprüche 1 - 6, wobei die Steuereinrichtung (30, 32, 34) die zwei Schalter (4-1, 4-4) in einem Lastbetrieb beide öffnet, wenn sich die Spannungen über den Kondensatoren (4-5, 4-2) durch direkte Speisung aus einem den Wandlerschaltkreis treibenden Generators bereits in einem gewünschten Spannungsbereich befinden. A method of driving a converter circuit according to any of claims 1-6, wherein the control means (30, 32, 34) both open the two switches (4-1, 4-4) in a load operation when the voltages across the capacitors (4-5, 4-2) are already in a desired voltage range by direct supply from a generator driving the converter circuit.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (30, 32, 34) einen Schalter (4-1, 4-4) schließt, wenn die über dem jeweils hierzu parallelen Kondensator (4-5, 4-2) anliegende Spannung einen Maximalwert überschreitet.8. The method according to claim 7, characterized in that the control device (30, 32, 34) a switch (4-1, 4-4) closes when the above the respective parallel capacitor (4-5, 4-2) voltage applied exceeds a maximum value.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (30, 32, 34) die zwei Schalter (4-1, 4-4) abwechselnd öffnet und schließt, um die über den Kondensatoren (4-2, 4-5) anliegende Spannung zu erhöhen, wenn die durch die Drehzahl eines den Wandlerschaltkreis (20) treibenden Generators (14) hervorgerufene Klemmenspannung kleiner ist als eine vorbestimmte Spannung.9. The method according to claim 7 or 8, characterized in that the control device (30, 32, 34) alternately opens the two switches (4-1, 4-4) and closes to the above the capacitors (4-2, 4th -5) voltage to increase when caused by the speed of the converter circuit (20) driving the generator (14) terminal voltage is smaller than a predetermined voltage.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (30, 32, 34) beide oder jeweils einen Schalter (4-1, 4-4) kurzzeitig hochfrequent taktet und unter Einbeziehung der Streureaktanz eines den Wandlerschaltkreis (20) treibenden Generators hierdurch die über beiden oder jeweils einem Kondensator anliegende Spannung erhöht.10. The method according to any one of claims 7 - 9, characterized in that the control device (30, 32, 34) both or in each case a switch (4-1, 4-4) briefly high-frequency clocks and including the leakage reactance of the converter circuit ( 20) driving generator thereby increases the applied voltage across both or each capacitor.
11. Stromerzeuger mit einem Antriebsmotor (12), einem elektrischen Generator (14) und einem elektrischen Wandlerschaltkreis (20) nach einem der Ansprüche 1 - 6. 11. Generator with a drive motor (12), an electric generator (14) and an electrical converter circuit (20) according to any one of claims 1-6.
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