WO1997023031A2 - Device for high-voltage transformation by cascading - Google Patents

Device for high-voltage transformation by cascading Download PDF

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WO1997023031A2
WO1997023031A2 PCT/DE1996/002407 DE9602407W WO9723031A2 WO 1997023031 A2 WO1997023031 A2 WO 1997023031A2 DE 9602407 W DE9602407 W DE 9602407W WO 9723031 A2 WO9723031 A2 WO 9723031A2
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Gernot Sikora
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Studlar-Sikora, Jana
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS 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
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • HELECTRICITY
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    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/16Cascade transformers, e.g. for use with extra high tension
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS 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
    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
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    • H02M3/28Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33569Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
    • H02M3/33571Half-bridge at primary side of an isolation transformer
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/01Resonant DC/DC converters

Definitions

  • the invention relates to a device for converting an unregulated, strongly fluctuating high voltage into a regulated output voltage with potential isolation.
  • circuit arrangements are known in which, by series connection (cascading) of thyristors, transistors or related semiconductors with a lower operating voltage than the supply voltage, are used as high-voltage switches.
  • series connection cascading
  • transistors or related semiconductors with a lower operating voltage than the supply voltage
  • Each inverter in the cascade has its own transformer in the output. 2. Due to the design of the transformers (power and driver transformers), the system is not suitable for the frequency range of 20kHz and more, nor for the voltage range of 3kV and more.
  • the design of the transformers is intended to superimpose an impulse voltage on the direct voltage
  • the help of which is to minimize the interval between the states of the energy supply from the voltage source through the switching stages ("on time") and the switch - off times "off - time” enforced by pulse width modulation, in order to achieve the cleanest possible direct voltage without to get additional filtering.
  • the power transformer has a center tap, although it is fed from a bridge.
  • circuit breaker types used according to the prior art such as half bridges, bridges, dual systems and the like, are limited in their input voltage range by the limited maximum voltage of the semiconductors used as fast circuit breakers.
  • IGBTs with operating voltages above 1000V are ruled out because of their too long switch-off and storage times for these conversion frequencies.
  • Tyristors and GTOs are ruled out because of the relatively high conversion frequency, because their storage and switch-off times already take up more than 20% of the pulse duration of the pulse width modulation.
  • Power transformers in a classic design are completely unsuitable for such an application because of the high demands placed on the dielectric strength, the resulting deterioration in the degree of coupling, and the increase in the leakage inductance.
  • Disk transformers, as in patent application P 40 22 243.8 "Disk transformer" and their references do not meet the conditions of high voltage insulation strength and reproducible physical properties, such as the constant and reproducible coupling factor in series production.
  • the special operating state that a transformer is fed from different with several primary windings from different electronic circuit breakers and transforms these medium-frequency AC voltages together, is not taken into account.
  • the task in creating the device according to the invention is: reshaping a high voltage by cascading, in which an unregulated, strongly fluctuating high voltage, sometimes with frequent, short interruptions, is to be converted into a regulated output voltage with potential isolation.
  • reshaping a high voltage by cascading in which an unregulated, strongly fluctuating high voltage, sometimes with frequent, short interruptions, is to be converted into a regulated output voltage with potential isolation.
  • the assemblies and components affected by the device according to the invention are: 1. POWER SWITCH; 2. PULSE WIDTH MODULATOR; 3. DRIVER LEVELS. 4. HIGH VOLTAGE SWITCHING TRANSISTORS; 5. POWER TRANSFORMER; 6. DRIVER TRANSFORMER; 7th thrush
  • the inventive idea of the device also includes an effective, redundant security system that ensures both operational reliability in the series application and the protection of the system and its environment in the event of a fault in the system.
  • the consequent implementation of this method also compensates for the manufacturing-related specimen scatter of the specific parameters of the components. The absence or omission of only one component jeopardizes the reliability of this device.
  • Input voltage 1.6kV - 3.9kV.
  • Output voltage 55V constant.
  • Output current 0 ⁇ 100A.
  • Insulation resistance Primary Jsec: 10kV, 50Hz sine, 10min
  • BUV 48C high-voltage switching transistor
  • Mass power unit 15 kg.
  • Mass power transformer approx.3kg
  • Power part Power part, input filter, additional protective devices and steel housing.
  • Dimensions 400 x 300 x 400 mm (L x Wx H).
  • each divider of the cascade consists of a parallel connection of one active and one passive component.
  • the partial voltages that arise in the cascade are each converted into pulse-width-modulated, medium-frequency AC voltages by an associated electronic circuit breaker.
  • the thus formed DC voltages of the cascade are supplied to partial transformer systems in which the energy transfer predominantly takes place directly between the windings and which are mounted on a common core.
  • the associated secondary windings of the partial transformer systems are connected in parallel to a rectifier and an output filter. All converters are controlled synchronously in time and polarity by a central trigger generator.
  • the input voltage a high voltage into a predetermined number of partial voltages in a low-loss voltage divider, which keeps the division ratio of the high voltage constant in all operating states, both statically and dynamically, at idle speed, full load and in transition states , divided up.
  • the transition states are particularly critical and difficult to control.
  • Another critical operating state is the undefined application of the full operating voltage, as occurs, for example, in the contacting of an overhead line by the pantograph of a locomotive.
  • System-internal capacities and series * supply * inductances in a generator with a very low internal resistance such as. B. in a remote rectifier station, lead to significant voltage spikes, such as these occur in series resonance circuits when a jump function is created.
  • the passive component consists of a capacitor with a high-ohmic resistance in parallel. In the cascade, this represents a frequency-compensated divider.
  • the active component consists of a network of complex and control-dependent power resistors connected in parallel to the passive component.
  • the complex part consists of the transformed load-dependent output resistance of the device with its complex parts of the output filter and the energy transmission path.
  • the control-dependent load resistors consist of the power switches with their resistors in the switched-on state and the variable resistors during the switching on and off process.
  • the requirements for the insulation materials are significantly reduced.
  • the resulting EMI values are considerably smaller compared to all other processes.
  • the deformation of the individual partial voltages on the voltage divider in alternating voltages, as is required for a transformation, takes place in connection with a current or voltage regulation via a central, pulse-width-modulated driver signal for the individual circuit breakers within the cascade.
  • the circuit breakers in this exemplary embodiment are self-oscillating inverters whose duty cycle in both current directions is determined by a common, external start * stop trigger signal time-synchronized. (Puis width modulation).
  • the pulse width modulated output voltage whereby the same pulse width modulation is required for the positive and negative amplitude, is supplied to a separate transformer system, the requirements of which will be dealt with in detail in a later chapter. Stray inductance, degree of coupling and power transmission behavior of each individual partial transformer system must be identical.
  • the partial transformer systems of the power transformer are mounted on a common core.
  • the dimensioning of the capacitive component of the voltage divider must ensure that the amount of charge withdrawn from the dividing capacitor during the on-time of the inverter is very much smaller than the amount of charge of each individual capacitor of the divider. With such a link, the requirements regarding the static and dynamic operating states are fully met.
  • the critical part of the transition states is essentially determined by the switching behavior of the individual power semiconductors of each individual circuit breaker.
  • the requirement for a time-synchronous course The output voltage of all power switches is solved according to the invention in that the power control signal for the power switches consists of two power signals which follow one another in time.
  • the first power signal is defined in time duration and amplitude, the subsequent one, which is smaller in amplitude, is determined by pulse width modulation in the time duration. Both signals are generated in separate output stages of the trigger generator.
  • the first signal is determined in its duration by the pulse width modulated signal.
  • the very low internal resistance of the 1st signal with a high amplitude and time-defined, constant width prevents the course of the inrush current of the power semiconductors, which follows the R L constant, due to the inductances of the driver transformers and the generator series resistance of the output stage, and also causes a strong overload of these semiconductors.
  • the effect of this circuit arrangement manifests itself in the time-synchronous and considerably shorter duty cycle of the individual circuit breakers. Influences of the scattering of the active components (high-voltage transistors) and passive components (such as the different inductances of the driver transformers) are thereby eliminated.
  • circuit breakers must be blocked when the high voltage is applied.
  • the circuit breakers may only be controlled and activated by the pulse width modulator after the high voltage has been applied.
  • Each inverter is assigned an undervoltage and overvoltage monitor with a defined working field between these two corner points, each of which independently outputs a potential-free enable signal to the logic electronics of the pulse width modulator.
  • the enable signal is blocked immediately .
  • the automatic blocking of the enable signal is triggered by leaving the specified characteristic map by only one circuit breaker in the divider cascade, as is the case, for example, when a circuit breaker fails.
  • the device not only includes the creation of safe operating states, but also active operational safety through redundancy of effective, fast electronic fuses in the event of malfunctions that can never be completely excluded.
  • Mechanical fuses in accordance with the standards can only protect one circuit breaker, but do not prevent the remaining cascade from being switched on in the event of a fault.
  • these fuses have large mechanical dimensions and response times that are too long in order to prevent, for example, an explosive bursting of power transistors.
  • Fig. 1 Block diagram with component symbol additions according to the invention of a system for the technical implementation of the device.
  • Fig. 2a Oscillograms of voltage profiles at the input and in the divider cascade. - Without filter.
  • Fig. 2b Oscillograms of voltage profiles at the input and in the divider cascade. - With filter.
  • FIG. 3 A in Fig. 1 block 1 shown divider of the cascade, consisting of capacitance, resistance, circuit breaker with associated voltage monitor (block 1 in connection with block 7), the associated current measurement (block 1 in connection with block 8) and the associated partial transformer system (block 1 in connection with block 2), as a circuit diagram.
  • Fig. 4. Circuit diagram: rectification, screening, output voltage monitor with diagnostic system and "restart" automatic. (Fig. 1, block 4).
  • Fig. 6 Current plan: pulse width modulator, current regulator 1, current regulator 2, voltage regulator, system monitoring. (Fig. 1; Block 6, Block 9, Block 10, Block 11, Block 12).
  • Fig. 7a Oscillograms: voltage curve before the filter when the high voltage is switched on as a function of time. Starting current of the system as a function of time.
  • Fig. 7b Oscillograms: Voltage curve in front of the filter when the high voltage is interrupted by the feeder Pantograph with arcing. Current flow of the system during the arc.
  • Fig. 8. Oscillogram: Current curve through primary windings of the power transformer system after Stromtrans formation and rectification as a function of time.
  • FIG. 10 Sectional view of Fig. 9, Fig. 11. Sectional view of Fig. 9.
  • Block 1 TEILERKASKAE with circuit arrangement CIRCUIT BREAKER.
  • the high voltage divider consists of a cascade of parallel connection of active and passive components.
  • the passive component consists of a parallel connection of capacitance and ohmic resistance.
  • the active component consists of a circuit breaker with a partial transformer system of the power transformer at the output.
  • the transformed variable output resistor with the complex portion of the power transmission chain appears as a parallel resistor in the form of an active component to the passive component via transformer and circuit breaker.
  • the design of a divider of the cascade in block 1 is shown in FIG. 3.
  • the design of the capacitor in the divider cascade differs depending on the type of circuit breaker used, whether half or full bridge. In the case example, a circuit breaker in a half-bridge configuration was used.
  • the capacitor In this type of inverter, the capacitor consists of the series connection of two capacitors, the capacitors being able to consist of a parallel connection of several capacitors. In terms of amount, all capacities in the cascade must be the same, except for the manufacturing tolerances. 3, the capacitance consists of the capacitors C111 to C113.
  • the constant resistance component in the form of boho resistors, which are required for safety reasons to discharge the capacitors when switched off, is taken over by the resistors Rl 11 and Rl 12.
  • the current flowing through the resistors is also used to supply and transmit the signal "Voltage monitor" used with group 710a, which is described in more detail in the corresponding chapter.
  • the maximum voltage at the "voltage monitor" circuit arrangement is limited by the Zener diode D 117.
  • Each circuit breaker in the divider cascade is controlled potential-free via its own driver transformer.
  • Fig. 3 it is the transformer Tr. 111.
  • Incoming control pulses from block 5 switch on the transistors of the upper bridge branch, consisting of 0 113, Q 114 or of the lower bridge branch Q 111, Q 112, depending on the polarity.
  • the corresponding networks of diodes and capacitors between the corresponding secondary winding of the driver transformer Tr. 111 and the base of the associated transistors serve, on the one hand, to generate a negative bias voltage in the “off state”, and on the other hand, the diodes D 116, D 115 form an “anti-saturation circuit” for the power transistors.
  • the combination of R 113, C 118 and C 117 is a relief network when the respective power transistors are switched off.
  • the high-frequency oscillation which arises in the switching-off process is damped by these elements due to the remaining leakage inductance of the partial transformer and parasitic capacitances.
  • the load current at the output of the circuit breaker is transformed in phase with the primary winding of the driver transformer Tr.111 via a current feedback transformer Tr.112. This guarantees a load-dependent, optimal current control of the power transistors without an additional auxiliary voltage supply.
  • the output current of the inverter is recorded via a current transformer Tr.113 and rectified in block 8 (FIG. 1, FIG. 3) and converted at burden R 811 into a pulsating DC voltage proportional to the load current, which in turn is fed via a busbar for the "Pulse by pulse” current control of the inverter is used.
  • the high requirements of the device for high-voltage forming are:
  • a core of the EE * or EC design is used as the core
  • the two secondary windings Fig. 15, .2 and .3 are in foil form on two adjacent chambers Fig. 15, 4 and 5 of a winding former Fig. 15 .1 housed
  • the secondary windings are located on the thinner winding koper, through the inner hole of which the middle bar of an EC core runs.
  • the outer diameter of the winding body with the secondary windings corresponds to the inner diameter of the cylindrical winding body FIGS. 16, .6 for the primary winding .8
  • the primary winding is cylindrical
  • a plastic cylinder is pushed onto the bobbin wound with the primary winding
  • the wound bodies consist of temperature-resistant materials with a low dielectric constant, such as. B polyamide
  • the construction according to the invention ensures a defined minimum distance between the windings over the entire winding area with a small construction volume.
  • the windings are thus encapsulated in plastic
  • the profile of requirements for the power feedback transformer corresponds to that of the driver transformer. Apart from minor deviations, the design is identical. Instead of a two-part secondary winding, there is only one one-part winding
  • Both winding cores each have only one winding chamber.
  • the secondary winding is also applied to the thinner winding chamber (smaller spatial distance from the core).
  • the current through the resistors of the divider cascade is proportional to the input voltage.
  • the current is converted into a voltage.
  • the transistor Q 713 keeps the light-emitting diode D 713 short-circuited.
  • the diode D 713 and the photo transistor 0 714 are used for potential-free signal transmission and are both arranged in a dark plastic tube. The distance between the two components corresponds to the safety requirements for the insulation dielectric strength.
  • the significant advantage of this circuit arrangement is that no additional auxiliary supply with high requirements for insulation dielectric strength is required.
  • the already existing divider current is used for measurement, power supply of the circuit arrangement and signal transmission.
  • the voltage at the phototransistors resulting from the operating state is amplified and fed to a comparator.
  • the device according to the invention is based on the uniformly proportional distribution of the energy transfer of the individual dividers of the cascade.
  • the uniform voltage distribution in the divider is to be ensured by the precise splitting of the secondary-side total load by transforming partial loads with the same amount parallel to the individual stages of the voltage divider.
  • This task is performed by the power transformer (FIG. 1, block 2), which is divided into a number of sub-transformer systems which correspond to the number of sub-voltages in the voltage divider.
  • the magnetic flux generated by the partial transformer systems flows through a common core.
  • Each partial transformer system consists of at least one current-carrying primary winding in cheese construction, which is fed from its own power source (circuit breaker) and at least one current-carrying secondary winding in cassette construction, which are separated on both sides of the primary winding by insulating material.
  • An absolutely identical power transmission behavior is the main requirement of the device.
  • the degree of coupling between the windings, the leakage inductance and the phase shift of the magnetic fields of the energy transmission between the windings and the energy transmission through the core are dominant physical parameters.
  • the reproducibility of these parameters with only small specimen variations is an unconditional requirement of the device for the power transformer component. Due to the device, there is also the high requirement for dielectric strength between primary and secondary.
  • these requirements are solved by the architecture of the power transformer and in the configuration of the windings as “finished components”.
  • the construction and design of the individual primary and secondary windings as "prefabricated components” places high demands on the construction with regard to the mechanical properties, such as. B. vibration resistance, temperature resistance, resistance to high humidity with simultaneous use of high voltage.
  • the idea according to the invention arose to design a plastic plate on both sides in such a relief that a spiral winding is sunk into the plate on each side. After embedding the windings, the relief-like plastic plate is closed on both sides by thin, glued insulating plates.
  • the carrier plate is broken through in the area of the spiral start of the windings at a point such that contacting the winding starts is possible. It is only important to ensure that the winding direction of each spiral is directed in the opposite direction.
  • the interior of the plate is broken through in such a way that a core made of soft magnetic material can be inserted through the plate.
  • the plates have centering and fastening holes at the corners. At the end for the electrical connections of the spiral windings, openings are created through which potting compound or liquid can penetrate in order to soak the winding in a vacuum.
  • FIG. 9 The technical implementation of such cassette carriers is shown in FIG. 9 as a top view of one side and the sectional representations of FIGS. 10 and 11. Basically, it is possible to shape such a shape from a solid insulating material plate by milling. Another possibility is the production as an injection molded part made of polyamide or a similar plastic.
  • a third type of implementation consists in the form-fitting connection of prefabricated individual parts. In the case example, the production from individual parts was chosen.
  • FIG. 9 On a carrier plate made of 0.5 mm thick epoxy resin, FIG.
  • the centering and fastening bores (FIGS. 9, .8) must be at exactly the same distances from the associated symmetry axes.
  • the carrier plate After embedding the windings, the carrier plate is closed on both sides with a plastic plate made of insulating material, for example a 0.5 mm thick glass fiber reinforced plastic plate with the same geometry as the carrier plate.
  • the plates are made by applying an adhesive to the webs of the inner names .6 and .2; .3; .7 the outer frames are positively connected.
  • the cassette manufactured in this form is a "prefabricated component".
  • a plastic frame .6 is glued to both sides of the carrier plate with a central window.
  • the web is asymmetrical on one side and ramp-shaped up to half.
  • the height of the ramp depends on the wire thickness used.
  • the ramp is directed in such a way that the winding begins behind the ramp and runs in a clockwise direction.
  • the carrier plate is drilled through in the area of the falling flank of ramp .7 in order to insert the wire for the winding on the other side.
  • the prefabricated plastic plate is wound on both sides in a special winding device. After a provisional fixation of the winding, the outer frames .2; .3; .4 glued on. After this step, the manufacturing process is the same as for the type of cassette already described.
  • the material thickness of the inner and outer frames is determined by the wire thickness and a safety margin of approx. 0.2 mm.
  • the web width of the inner and outer frames corresponds to the requirements for voltage insulation resistance.
  • the overall transformer system shown in block 2 of FIG. 1 of the exemplary embodiment is shown graphically in FIG. 13 as a side view.
  • the power transformer consists of 6 sub-transformers, Tr. 210 to Tr. 260.
  • Four threaded bolts .7 are screwed into a foot made of insulating material .5.
  • the "prefabricated components" are placed on the stud bolts in the following order: insulating plate .1; 0.2mm Micanit cassette .2; (Copper plate spirals) connections on the left insulating plate .1; 0.2mm micanite Cassette .3; (Copper wire spiral) connections on the right insulating plate .1; 0.2mm Micanit cassette .2; (Copper plate ⁇ spirals) connections on the left insulating plate .1; 0.2mm micanite.
  • Spacer sleeves .4 (4 rings made of 4mm thick glass fiber reinforced plastic with 12mm outer and 5.5mm inner diameter. The assembled parts result in the partial transformer system Tr. 210.
  • the subtransformer systems Tr. 220 to Tr. 260 mounted.
  • the core is composed of a 6-part ferrite material, material N 27.
  • the center webs are cut out from “E” shaped starting pieces of the E55 series, so that two "U” shaped pieces are created. With 2 "E” shaped starting pieces, the two outer legs are separated, the four “I” shaped webs are created.
  • the "I" -shaped core pieces are pushed into two "U” -shaped GRP profile slides, FIGS. 13 and 14 .9, which with the surface facing the windings.
  • the rails are about 5mm longer on each side than the stack of finished parts.
  • the sections of ferrite material are mechanically compressed by a brass tensioning strap .10 in Fig. 13 and 14, which surrounds the ferrite ring on the outside and held under tension by means of a screw .1 1 on the top of the transformer. If necessary, such a construction can be mounted on the other side of the center window in the winding stack. With a continuous rated power of 5.5 kW, the core described above is fully sufficient.
  • Micanit plate was described between the individual cassettes. Insulating materials often do not simultaneously meet the electrical and mechanical properties required by the process. For this reason, two materials with the respective optimal properties were used in pairs. Micanit offers the advantage of maintaining its mechanical strength even at extreme temperatures.
  • the transformer subsystems and the power transformer can be soaked in a vacuum.
  • the material for impregnation can be made through the openings in the outer frame for contacting the winding ends.
  • the number of turns of each transformer subsystem is dimensioned such that with a minimum input voltage at the high-voltage divider, taking into account the dead time of the energy transfer in the associated power switch and the voltage drops on the power semiconductors in the primary and secondary circuit, the given Output voltage is reached.
  • the maximum output current corresponds to the total current divided by the number of dividers in the cascade.
  • the associated outputs of the secondary windings of the partial transformer systems are conductively connected to one another in the form of a “parallel connection”.
  • a final summary of the sub-area power transformer shows that the demand for equal energy distribution in dynamic operating conditions within the high-voltage * divider is proven by the following physical processes in the power transformer and its transmission behavior. Synchronization of the magnetic field within the power transformer through a common core.
  • INPUT FILTER. 1, block 3 has three essential protective functions for the downstream circuit breaker cascade.
  • the filter consists of a series inductance and a subsequent capacitance against minus, which in principle represents a series resonance circuit.
  • the consumer the divider cascade, which represents a load-dependent damping of this resonant circuit, is connected in parallel to the capacitance.
  • the capacitance can also be designed as a series connection of capacitors.
  • the series inductance is split into 6 partial inductors, which are designed in a cassette design like the power transformer and are mounted on a common core with an air gap.
  • the windings are electrically connected in series. The greater part of the windings connected in series are, depending on the requirements for blocking voltage strength diodes connected in series and in reverse with parallel capacitances for voltage distribution.
  • a diode with parallel capacitance and a series resistor is connected in parallel to the remaining windings.
  • the capacitance switched against minus is carried out for reasons of the dielectric strength in series connection of capacitances with parallel ohmic resistors in order to ensure a discharge of the capacitances in the switched-off state for safety reasons.
  • the physical property of a series resonant circuit, when a step function is applied, with a damped oscillation determined by values from inductance and capacitance, is modified by the external parallel connection with diodes in such a way that only the delayed voltage rise of the rising flank of the sine wave with a small one Voltage overshoot in the positive direction, which is caused by the damped portion of the total inductance, remains.
  • the voltage curve is at Input of the divider cascade, which consists of only 2 dividers, is represented by an oscillogram.To obtain the same voltage conditions on the divider cascade as they occur during normal operation, only a divider cascade consisting of 2 dividers and a corresponding input voltage from IkV could be used. What is striking is the strong negative part of the tension retention fes after applying the positive supply voltage. The following 60% overshoot shows the dangers for the semiconductors in the divider cascade.
  • the oscillogram Fig. 2a (4) shows the voltage curve on the 1st divider of the cascade of 3.6 kV. The time and amplitude-synchronous course of the voltages is clearly visible. The effectiveness of the filter design as a sub-component of the device according to the invention has been clearly proven.
  • FIG. 1 block 4 The symbolic representation of this assembly in FIG. 1 block 4 is shown in detail in FIG. 4 using a circuit diagram.
  • the circuit arrangement performs the following tasks: rectification of the pulse-width-modulated AC voltage. - Screening and smoothing of the pulse width modulated, rectified AC voltage.
  • the downstream inductor L 410 changes the complex resistance vector at the output in such a way that the complex resistance transformed into the output of the respective circuit breaker by the partial transformer does not represent a short circuit for the circuit breaker cascade.
  • a capacitive resistance of -j O.l lmOhm is connected in parallel with the load resistor at a nominal load of 0.55 Ohm. This would be without a complex
  • Series resistance which is formed by L 410, represent an impermissible short circuit for the circuit breaker in the switching process of the circuit breaker.
  • the application-specific dimensioning of the inductance and the capacities fulfills the requirements for the residual ripple. In the case example at 100A and 55V with a longitudinal inductance of 45 // H and a total capacitance of 6x 600 // F, this is about 500mV.
  • Additional safety systems are integrated in the process for reasons of operational safety and reduction of the risk potential for people and material. So e.g. the output of the system is secured with a length diode D 419 and a fuse Si 410 in the event that components fail on the secondary side of the inverter, or other fuses respond. In the case example, large lead accumulators are connected as a load. The consequences of a short circuit in the system output without the fuse system can be easily estimated.
  • Devices using this method are used in rooms with considerable electromagnetic interference fields, such as electric locomotives.
  • a false triggering of the Th 410 thyristor by electromagnetic radiation in the "Gate * Zone” can never be excluded despite interference suppression measures.
  • An automatic diagnosis and safety electronics monitors the output of the filter in the device according to the invention. Two different operating states must be distinguished from the electronics:
  • the thyristor Th 410 is responsible for a hard short circuit of the system output. For this reason, no components may be arranged in this circuit that could endanger the effectiveness of this protective circuit in the event of a high voltage breakdown.
  • the conducting state of the thyristor cannot be detected and diagnosed via a current flow through the thyristor, but only indirectly via the voltage state at the thyristor.
  • the following evaluation and fuse electronics create the necessary control commands for the circuit breaker cascade.
  • the high-voltage conversion system has a constant-voltage constant-current
  • the heart of the diagnostic system is a 1-stage comparator IC 414, whose 10 outputs are set to “Logical 1" in “DOT” mode and jump to "Logical 0" in 0.5V increments between 0.5V and 5V depending on the input voltage.
  • the divider consisting of R 436, D 437, R 438 and R 433 allows a linear status diagnosis of the output voltage between 0 and 8V.
  • the parallel connection of D 442 to R 437 and R 438 creates a magnifying glass for this area.
  • the logic linkage and evaluation of the states at the comparator outputs takes place in the "NOR gate" of the IC 412.
  • the transistor Q 410 is actuated via a further “Or” link, consisting of the diodes D 424, D 425 and D 426.
  • the "voltage monitor” input is activated “short-circuited on the pulse width modulator. This switching state has priority over the enable signal by the voltage monitors of the divider cascade and forces the blocking of all circuit breakers in the cascade.
  • the rising edge at the output of IC 412 triggers a pulse with a defined duration at the M ⁇ nofiop IC 410, which maintains the blocking state for the circuit breakers via an "OR connection", the diode D 425.
  • the lock is required to discharge the capacitors in the output filter so that the Th 410 can safely extinguish.
  • An overvoltage on the cathode of diode D 418 automatically triggers a blockage of the circuit breakers.
  • the Zener diode D 422 becomes conductive and drives transistor Q 411.
  • IC 411 inverts the logic state and controls the transistor Q 410 via D 424, the function of which has already been described.
  • R 410 for continuous current measurement and current control is selected so that the circuit currents of the filter are not recorded.
  • the device according to the invention places very high demands on the trigger generator for the circuit breakers, which are not met by prior art drivers.
  • Integrated driver circuits according to the prior art cannot be expanded in such a way by additional external wiring that they could meet the following requirements.
  • Defined pulse duration of a switch-on overload with very low internal resistance when the "Start" command is given.
  • Fig. 1 block 5 the core of the power driver stage is symbolic, in Fig. 5 in detail as a circuit diagram.
  • the device for high-voltage conversion requires the following controls of the driver transformers for operating the circuit breakers in the cascade and the associated switching states of the circuit breakers of the trigger generator bridge: Circuit breakers of the cascade "OFF": Switching state of the bridge of the trigger generator: Q 510 and Q 511 "On”. Q 520, Q 518, Q 521, Q 519 “Off”. Circuit breaker of the cascade "ON”: Upper switch of the half-bridge configurations. Switching state of the bridge of the trigger generator: Switching on: Q 520, Q 518, Q 511 "On”. Q 510, Q 519, Q 521 “Off”.
  • Circuit breaker of the cascade "ON" Lower switch of the half-bridge configurations. Switching state of the bridge of the trigger generator: Switching on: Q 519, Q 521, Q 510 “On”; Q 518, Q 520; Q 511 "Off”.
  • the respective gate is operated via a switched constant current source with switch-on override when switching on and a short circuit when switching off.
  • the exemplary embodiment is described with reference to Q 518 and also applies analogously to Q 519.
  • Q 527, D 532, D 533 and R 522 form a constant current source which is activated by "H" at the output of IC 517c.
  • the current is determined by the voltage curve at C 511, which results in an optimal switching behavior of Q 518.
  • the short circuit at the gate of Q 518, caused by Q 522 and ⁇ 526, is canceled simultaneously by the complementary control signal to Q 527.
  • Pulse width modulator Voltage regulator; Current controller primary current; Current controller
  • pulse width modulators do not meet the tough requirements of the device for high-voltage conversion in several respects.
  • use in the system according to the invention can only be achieved by outsourcing certain functions, changing the specific characteristics and linking them to additional, external circuits.
  • the large dynamic range of the input voltage and the output current in connection with two different control characteristics places very high demands on the stability of the control.
  • the pulse width modulator has the task of converting one or more analog values with a predetermined priority into pulse widths in a defined time frame.
  • the recurring compromise between integrating the analog values as a stability factor for the control and short control times in the event of step functions occurring in the system causes considerable difficulties.
  • even small changes in the pulse width cause large deviations in the initial values of the system.
  • the high demands on the control cannot be solved by a control loop.
  • the solution to the problem of stable operation of the energy conversion system in the device for high-voltage conversion according to the invention consists in: Decentralized detection of disturbance variables at critical points on the energy conversion path.
  • the device according to the invention for high-voltage conversion can no longer be based on a control loop, but it already represents a relatively simple cybernetic system.
  • the dominant control characteristic of the system is the constant voltage. If the preselected maximum current value is exceeded, the system must continuously change to the control characteristic of the constant current. Even in the "constant voltage" operating mode, a portion of the rapid current control of the primary current is subordinated to the voltage control in order to prevent larger differences in the current amplitude between two successive pulses.
  • the subsequent functional description relates to the circuit diagram shown in FIG. 6.
  • the oscillator function of the block must be removed from the block for reasons of stability and for further derivations from this signal.
  • the clock frequency is determined by the external circuitry of IC 611, the pause time by the external circuitry of IC 612.
  • IC 610 is operated with an external frequency via emitter follower Q 610.
  • the sawtooth function arises at C 613 as an integral of the voltage state at the complementary output of IC 612, which is controlled by the oscillator frequency.
  • the subsequent emitter follower Q 611 decouples the sawtooth generator from the impedances of the subsequent networks and prevents repercussions.
  • the switch-on override triggers a malfunction because of the higher amplitude than the final amount of the ramp.
  • Fig. 1 block 8a to 8n.
  • the voltages are proportional to the current flow through the pri- märwicklungen the power transformer, Fig. 1, block 2.
  • Integrator R 1019, C 1013.
  • This auxiliary circuit considerably reduces the fast control dynamics of the output voltage control during the start phase, which results in a "soft * start".
  • Critical operating states such as rapid successive shutdowns and reclosing of the input voltage, are considerably alleviated by the transition from rapid voltage regulation to slow voltage control with a preselectable time constant. These critical operating conditions arise when there is poor contact between the overhead line and the pantograph of the locomotive on icy overhead lines and can occur for long periods.
  • the inherent dynamics of the voltage profiles in the high-voltage circuit as a result of arcing and effects on the high-voltage conversion system can only be mastered by the device according to the invention, and use of the system under such extreme conditions is only possible.
  • the fuse and monitoring circuits of blocks 710a in conjunction with 710b to 7 ⁇ 0a in conjunction with 7n0b in FIG. 1 as a block diagram and FIG.
  • Q 911 is only blocked in the "H” state of all voltage monitors in the cascade and when an auxiliary voltage for the electronics of at least 19V is present at the inputs of a "NAND Schmitt * Trigger" IC 911.
  • transistor Q 910 is driven via IC 910.
  • Q 910 actuates relay 910, which in turn short-circuits all primary windings of driver transformers Tr. 111 to Tr. n11 (FIG. 3) in the divider cascade block 1 FIG. 1.
  • the blocking of Q 911 causes a charging of C 910.
  • the voltage state at C 910 is monitored via an emitter sequence Q 912 and a "NAND-Schmitt trigger" connected downstream. As long as the voltage at C 910 has not exceeded the switching threshold of IC 912, the pulse width modulator IC 610 is blocked by state "H" at the output of IC 912. The system is supposed to keep this additional time constant locked during the transient processes when the pantograph contacts the overhead line. It is a further measure to increase operational safety. The effectiveness of the method described so far has been proven on the basis of measurements of dynamic operating states.
  • the voltage curve at the input of the filter was examined in an electric locomotive under actual operating conditions. The expression of the following measurement is shown in FIG. 7a.
  • the voltage curve at the filter input was measured when the main switch was actuated, using a high-voltage divider 100: 1 with a downstream probe 10: 1.
  • the current profile of the current measuring transformers of the divider cascade was shown on channel 4.
  • the automatic triggering for a "single shot” took place when a voltage level of 3.75 kV was exceeded.
  • the DC voltage on the overhead line was 3.08 kV.
  • the system load current was 75A.
  • the trigger was also set for a "single shot" when a voltage level of 3.75 kV was exceeded.
  • a swinging of the input voltage between 3.75 kV and 1.6 kV for a period of 60 msec is recorded here.
  • the response function of the system can be clearly seen from the envelope of the primary current. During a voltage drop to an amount of 1.6 kV after approx. 35 msec, the current drops almost to zero, rises again to its previous value when the high voltage rises.
  • the dominant load resistance is lead accumulators, which have a non-linear current-voltage dependency.
  • the clear blocking of the system can be recognized immediately by responding to the voltage monitor. Although the input voltage due to the charge of the gates in the input filter only slowly sinks, the transformer current is zero.
  • Fig 8 proved.
  • the rectified primary current through the power transformer is shown on channel 4 after the potential separation by the current transformers.
  • the frequency is 40kHz, the peak amplitude at the end of the period is 15.6A.
  • Due to a connected load the pulse excitation for the main brake of the locomotive, the system has switched to constant * current * mode (97.5A).
  • the current curve clearly shows the device-related "shading override", the exact "PULS by PULS" current * control and the frequency stability.

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Abstract

The process for high-voltage transformation is based on the following steps: dividing the high voltage into any number of partial voltages in a divider cascade in which each divider consists of the parallel connection of an active and a passive component; shaping the partial voltages into adjustable a.c. voltages in the medium-frequency range; transforming the a.c. voltages in a complex transformer system consisting of a number of partial transformers corresponding to that of the partial voltages and combining the transformed partial voltages into an overall voltage, modifying the architecture of power components, e.g. transformers, to produce physical properties and achieve transmission properties which are prerequisites fo the proper operation of the process; fitting with a control, safety and monitoring electronic system for the transmission properties of the entire system and the partial systems with regard to the static and dynamic operating states and the dynamic transition states.

Description

Vorrichtung zur Hochspannungsumformung durch Kaskadierung. Device for high-voltage conversion by cascading.
Beschreibung.Description.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Umformung einer ungeregelten, stark schwankenden Hochspannung in eine geregelte Ausgangsspannung mit Potentialtrennung. In der Hochspannungsumformung sind Schaltuπgsanordnungen bekannt, in denen durch Serieπschaltung (Kaskadierung) von Thyristoren, Transistoren oder verwandten Halbleitern mit niedrigerer Betriebsspannung als die Versorgungsspannung, als Hochspannungsschalter zur Anwendung kommen. Bei der Serienschaltung von Halbleitern werden mit zunehmender Frequenz dieThe invention relates to a device for converting an unregulated, strongly fluctuating high voltage into a regulated output voltage with potential isolation. In high-voltage conversion, circuit arrangements are known in which, by series connection (cascading) of thyristors, transistors or related semiconductors with a lower operating voltage than the supply voltage, are used as high-voltage switches. When semiconductors are connected in series, the
Übergangsszustände zwischen "leitendem" und "sperrendem" Zustand, bedingt durch die Exemplarstreuuπgen sehr schwer beherrschbar. Die betragsmässige Aufteilung der Gesamtspannung in gleiche Teilspannungen an den Halbleitern in der Kaskade ist nicht mehr gewährleistet, was Folgen für die Betriebssicherheit hat. Die Ansteuerung derartiger Bauelemente in der Kaskade ist ebenfalls nicht unproblematisch, was aus der Vielzahl von Anmeldungen auf diesem Gebiet ersichtlich ist. Auszugsweise wurden folgende Schriften nach Stand der Technik zum Vergleich herangezogen.Transition states between "conductive" and "blocking" state, due to the specimen scattering very difficult to control. The amount of the total voltage divided into equal partial voltages on the semiconductors in the cascade is no longer guaranteed, which has consequences for operational reliability. The control of such components in the cascade is also not without problems, which can be seen from the large number of applications in this area. The following prior art documents were used for comparison purposes.
US 40 62 057 (Regulated Power Supply having a Series Arrangenment of Inverters.US 40 62 057 (Regulated Power Supply having a Series Arrangement of Inverters.
JP 07 - 31144 (A) und Abstr. 7031144 (DC j DC Konverter).JP 07 - 31144 (A) and Abstr. 7031144 (DC j DC converter).
UNITRODE "Applikations Handbook 1987- 1988 Seite 148 - Seite 156. P 40 22 176.8 "Modulator zum Ansteuern von Hochvoltransistoren".UNITRODE "Application Handbook 1987-1988 page 148 - page 156. P 40 22 176.8" Modulator for controlling high-voltage transistors ".
P 40 22 243.8 "Scheibentransformator". Das im US Patent 40 62 057 beschriebene System ist für den Einsatz mit der Aufgabenstellung der Erfindung aus folgenden Gründen gänzlich ungeeignet und weicht auch in wesentlichen Punkten erheblich ab:P 40 22 243.8 "disc transformer". The system described in US Pat. No. 4,062,057 is completely unsuitable for use with the object of the invention for the following reasons and also deviates considerably in essential points:
1. Jeder Inverter in der Kaskade hat im Ausgang einen eigenen Transformator. 2. Das System ist durch die Bauart der Transformatoren (Leistungs- und Treibertransformatoren) weder für den Frequenzbereich von 20kHz und mehr, noch für den Spannungsbereich von 3kV und mehr geeignet.1. Each inverter in the cascade has its own transformer in the output. 2. Due to the design of the transformers (power and driver transformers), the system is not suitable for the frequency range of 20kHz and more, nor for the voltage range of 3kV and more.
3. Im System sind die kritischen Übergangszustände beim Schalten der Inverver bei höheren Frequenzen nicht beachtet, was zur ungleichen Aufteilung der Spannungen an den einzelnen Invertern führt.3. In the system, the critical transition states when switching the inverters at higher frequencies are not taken into account, which leads to the uneven distribution of the voltages at the individual inverters.
Es wird als Tatsache zugegeben und hingenommen, soll aber durch den sogenannten "SELF BALANCING Effekt) durch die Parallelschaltung der Leistungstransformatoren am Ausgang kompensiert werden, was im Frequenzbereich von 20kHz nicht mehr möglich ist. Im Gegensatz zu einer fragliche Selbstregulierung wird in der erfindungsgemässen Vorrichtung durch zusätzliche Schaltungsmassnahmen die gleichmässige Spannungsaufteilung in der Kaskade erzwungen. Im Japan Patent JP 07 0331144A liegt eine Kaskadierung von Konvertern zwar vor, es handelt sich aber um eine vollständig andere Aufgabenstellung. Durch die Bauart der Transformatoren soll der Gleichspannung eine Im¬ pulsspannung überlagert werden, mit deren Hilfe das Intervall zwischen den Zuständen der Energielieferung aus der Spannungsquelle durch die Schaltstufen ( "On time") und den durch Pulsweitenmodulation erzwungenen Ausschaltzeiten "Off - time" zu Null minimiert werden soll, um eine möglichst saubere Gleichspannung ohne zusätzliche Filterung zu erhalten. Der Leistungstransformator besitzt eine Mittelzapfung, obwohl er aus einer Brücke gespeist wird.It is admitted and accepted as a fact, but is to be compensated for by the so-called "SELF BALANCING effect) by the parallel connection of the power transformers at the output, which is no longer possible in the frequency range of 20 kHz. In contrast to a self-regulation in question, in the device according to the invention Additional circuit measures enforce the uniform voltage distribution in the cascade. In Japan Patent JP 07 0331144A there is a cascading of converters, but it is a completely different task. The design of the transformers is intended to superimpose an impulse voltage on the direct voltage The help of which is to minimize the interval between the states of the energy supply from the voltage source through the switching stages ("on time") and the switch - off times "off - time" enforced by pulse width modulation, in order to achieve the cleanest possible direct voltage without to get additional filtering. The power transformer has a center tap, although it is fed from a bridge.
Die nach dem Stand der Technik verwendeten Leistungsschaltertypen, wie Halbbrücken, Brücken, Dualen Systeme und dergleichen sind in deren Eingangsspannungsbereich durch die begrenzte Maximalsspannung der eingesetzten Halbleiter als schnelle Leistungsschalter, eingeschränkt.The circuit breaker types used according to the prior art, such as half bridges, bridges, dual systems and the like, are limited in their input voltage range by the limited maximum voltage of the semiconductors used as fast circuit breakers.
Pulsweitenmodulatoren nach fortschrittlichstem Stand der Technik, wie z. B. der integrierte Baustein UC 1846 der Firma Uπitrode, dessen Vorzüge der Wirkungsweise im "Applikations Handbook 1987- 1988 Seite 148 - Seite 156 eingehend beschrieben werden und durch folgendes Zitat hervorgehoben werde: "The inherent advantages of eur rentmode control over conventional PWM appoaches to switching power Converters read like a wish /ist from a frustrated power supply engineerP' ei füllen nicht die harten Anforderungen der Aufgabenstellung. Selbst nachState-of-the-art pulse width modulators, such as B. the integrated module UC 1846 from Uπitrode, the advantages of which are described in detail in the "Application Handbook 1987-1988 page 148 - page 156 and are emphasized by the following quote:" The inherent advantages of eur rentmode control over conventional PWM appoaches to switching power converters read like a wish / ist from a frustrated power supply engineerP 'ei do not meet the tough requirements of the task. Even after
Angaben des Herstellers neigt der Baustein bei Tastverhältnissen über 50% bereits bei einem angesteuerten Inverter zu Instabilität, wie auf Seite 153, Spalte 2, Absatz 2 ausgeführt.According to the manufacturer, the module tends to become instable with a controlled inverter at duty cycles above 50%, as explained on page 153, column 2, paragraph 2.
An anderer Stelle erfolgt der direkte Hinweis, dass dieser Baustein für Halbbrückenwandler wegen der Instabilität gänzlich ungeeignet ist. Treiberstufen für Hochleistungskonverter, wie diese in der Patentanmeldung P 40 22 176.8 " Modulator zum An¬ steuern von Hochvolt-Transistoren " eingehend beschrieben sind, eignen sich für diesen Einsatz ohne wesentliche Veränderungen nicht, weil Ansteuerung nur für den Betrieb eines inverts konzipiert wurden. Ausserdem sind die Verzögerungszeiten in der Schaltungsanordung für den kritischen Aπwendungsfall zu hoch. Bei Hochvolt- Schalttransistoren des bipolaren Types (stromgesteuerte Bauelemente) besteht eine Verwirrung in der Angabe der maximal zulässigen Betriebsspannung. Nicht der Grenzwert der Ausschaltspannung, sondern die zeitlich unbegrenzt anliegende Gleichspannung ist das entscheidende Kriterium für den Einsatz derartiger Bauelemente. Leider liegen diese Werte sehr weit auseinander. Es muss von einem Wert von ca. 8ooV Kollektor - Emitter- Dauerspannung ausgegangen werden. Bei Hochvoltschaltern des Types mit Spannungssteuerung (Power* MOS FET), die für maximale Betriebsspannungen bis 1500V lieferbar sind, ist der zunehmende Einschaltwiderstand (RDS-ON) und die physikalisch konstruktiv bedingte Überempfindlichkeit gegen Spannungsspitzen, auch wenn diese zeitlich nur sehr kurz sind, gravierende Hinderuπgsfaktoren für den Einsatz dieser Bauelemente.Elsewhere, there is a direct indication that this module is completely unsuitable for half-bridge converters because of the instability. Driver stages for high-performance converters, as described in detail in patent application P 40 22 176.8 "Modulator for controlling high-voltage transistors", are not suitable for this use without significant changes, because control was only designed for the operation of an inverter. In addition, the delay times in the circuit arrangement are too high for the critical application. In the case of high-voltage switching transistors of the bipolar type (current-controlled components), there is confusion in the specification of the maximum permissible operating voltage. The decisive criterion for the use of such components is not the limit value of the switch-off voltage, but rather the DC voltage that is applied indefinitely. Unfortunately, these values are very far apart. A value of approx. 8ooV collector - permanent emitter voltage must be assumed. In high-voltage switches of the type with voltage control (Power * MOS FET), which are available for maximum operating voltages up to 1500V, there is the increasing switch-on resistance (RDS-ON) and the physically related hypersensitivity to voltage peaks, even if they are only very short in time. serious obstacles to the use of these components.
IGBT's mit Betriebsspannungen über 1000V scheiden wegen deren ebenfalls zu grossen Ausschalt- und Speicher¬ zeiten für diese Konversionsfrequenzen aus. Tyristoren und GTO's scheiden wegen der relativ hohen Konversionsfrequenz aus, weil deren Speicher und Ausschaltzeiten schon mehr als 20% der Pulsdauer der Pulsbreitenmodulation beanspruchen. Leistungstransformatoren in klassischer Bauweise sind wegen der hohen Anforderung an Isolationsspannungsfestig- keit, der daraus resultierenden Verschlechterung des Kopplungsgrades, Vergrösserung der Streuinduktivität für eine derartige Anwendung gänzlich ungeeignet. Scheibentransformatoreπ, wie in der Patentanmeldung P 40 22 243.8 "Scheibentransformator" und deren Entgegen¬ haltungen erfüllen nicht die Bedingungen der hohen Spannuπgs-Isolationsfestigkeit und reproduzierbaren physikalis¬ chen Eigenschaften, wie z.B. des konstanten und reproduzierbaren Kopplungsfaktors in der Serienfertigung. Ausserdem ist der besondere Betriebszustand, dass ein Transformator aus verschieden mit mehreren Primarwicklun gen aus verschiedenen elektronischen Leistungsschaltern gespeist wird und diese mittelfrequente Wechselspannun gen gemeinsam transformiert, nicht berücksichtigt.IGBTs with operating voltages above 1000V are ruled out because of their too long switch-off and storage times for these conversion frequencies. Tyristors and GTOs are ruled out because of the relatively high conversion frequency, because their storage and switch-off times already take up more than 20% of the pulse duration of the pulse width modulation. Power transformers in a classic design are completely unsuitable for such an application because of the high demands placed on the dielectric strength, the resulting deterioration in the degree of coupling, and the increase in the leakage inductance. Disk transformers, as in patent application P 40 22 243.8 "Disk transformer" and their references, do not meet the conditions of high voltage insulation strength and reproducible physical properties, such as the constant and reproducible coupling factor in series production. In addition, the special operating state, that a transformer is fed from different with several primary windings from different electronic circuit breakers and transforms these medium-frequency AC voltages together, is not taken into account.
Treibertransformatoren, wie in der Anmeldung P 40 22 176.8 "Modulator zum Ansteuern von Leistungstransistoren" behandelt, erfüllen nicht die hohen Anforderungen an die Isolations Spannungsfestigkeit. Damit wird der gesamte Modulator für diese Applikation unbrauchbar.Driver transformers, as dealt with in application P 40 22 176.8 "Modulator for driving power transistors", do not meet the high requirements for the dielectric strength. This makes the entire modulator unusable for this application.
Der Einsatz von Drosseln in klassischer Bauweise als Langsinduktivitaten scheitert ebenfalls an den Anforderungen für die hohe Spanπungsfestigkeit. Anforderungen an das dynamische Betriebsverhalten unter dem Aspekt der Gleichstromvormagnetisierung, extrem hohen Strom und Spannungs- Anstiegsgeschwindigkeiten machen deren Einsatz gänzlich unmöglichThe use of chokes in a classic design as long inductors also fails due to the requirements for high dielectric strength. Requirements for dynamic operating behavior with regard to DC bias, extremely high current and voltage rise speeds make their use completely impossible
Der aufgeführte Stand der Technik bezüglich Verfahren von Spannungsumformung bei Einsatz von Baugruppen und Bauelementen nach Stand der Technik zeigt bei einem Vergleich mit dem nachfolgend aufgeführten Anforderungsprofil an Baugruppen und Komponenten des erfindungsgemässen Vorrichtung zur Hochspaπnungsumfor mung, eine Losung nicht möglich istThe state of the art listed with regard to processes of stress conversion when using assemblies and components according to the prior art shows that a solution is not possible when compared with the requirement profile for assemblies and components of the inventive device for high-voltage forming
Die Aufgabenstellung bei der Schaffung der erfindungsgemässen Vorrichtung lautet: Umformung einer Hochspannung durch Kaskadierung, bei der eine ungeregelte, stark schwan¬ kende, teilweise mit häufigen, kurzen Unterbrechungen behaftete Hochspannung in eine gere¬ gelte Ausgangsspannung mit Potentialtrennung umgeformt werden soll. Ausserdem liegt folgen des Anforderungsprofil an die Vorrichtung vor:The task in creating the device according to the invention is: reshaping a high voltage by cascading, in which an unregulated, strongly fluctuating high voltage, sometimes with frequent, short interruptions, is to be converted into a regulated output voltage with potential isolation. There is also the following profile of requirements for the device:
Mittelfrequente Kαnversionsfrequenz (im Bereich von 20kHz)Medium frequency conversion frequency (in the range of 20 kHz)
Verwendung handelsüblicher, kostengünstiger Leistungs- HalbleiterbauelementeUse of commercially available, cost-effective power semiconductor components
■ Gestaltung eines optimierten Leistungstransformators unter den Gesichtspunkten■ Design of an optimized power transformer from the point of view
Minimale Abmessungen, hohe Isolationsspannungsfestigkeit, konstante und reproduzierbare Leistungsubertragungseigenschaften, konstanter Koppelfaktor, geringe StreuinduktivitatMinimal dimensions, high dielectric strength, constant and reproducible power transmission properties, constant coupling factor, low leakage inductance
Anpassung der Kernform an die Architektur der WicklungenAdaptation of the core shape to the architecture of the windings
Zusammensetzung des Kernes aus möglichst handelsüblichen AusfuhrungsformenComposition of the core from commercially available embodiments
Reduktion von Massen und Volumen gegenüber bekannten Losungen.Reduction of masses and volumes compared to known solutions.
Hohe Isolations Spannungsfestigkeit ( lOkV, 50Hz) Niedrigere Herstellkosten gegenüber bekannten Losungen.High insulation dielectric strength (lOkV, 50Hz) Lower manufacturing costs compared to known solutions.
Hohe Zuverlässigkeit im Langzeitbetrieb High reliability in long-term operation
Redundantes Sicherungssystem zum Selbstschutz des Systemes und der Umgebung Ausgedehnter Temperaturbereich. Zuverlässigkeit in mobilem Einsatz Resistenz gegen Spannungsspitzen oberhalb der maximalen Betriebsspannung EMI Werte dürfen Kαmmunikationselektronik nicht beeinflussen Die von der erfindungsgemässen Vorrichtung betroffen Baugruppen und Komponenten sind:1. LEISTUNGS- SCHAL¬ TER; 2. PULSBREITENMODULATOR; 3.TREIBERSTUFEN. 4. HOCHVOLT- SCHALT- TRANSISTOREN; 5. LEISTUNGS TRANSFORMATOR; 6. TREIBER- TRANSFORMATOR; 7. DROSSELRedundant security system for self-protection of the system and the environment. Extended temperature range. Reliability in mobile use Resistance to voltage peaks above the maximum operating voltage EMI values must not influence communication electronics The assemblies and components affected by the device according to the invention are: 1. POWER SWITCH; 2. PULSE WIDTH MODULATOR; 3. DRIVER LEVELS. 4. HIGH VOLTAGE SWITCHING TRANSISTORS; 5. POWER TRANSFORMER; 6. DRIVER TRANSFORMER; 7th thrush
Anderseits ist auch das zur Verfügung stehende Instrumentarium zur Lösung dieser Aufgabe zu betrachten. Grundsatzforschungeπ zur Erhöhung der Kollektor - Emitter- Gleichspannung von schnellen Leistungshalbleitern scheiden unmittelbar aus.On the other hand, the instruments available for solving this task must also be considered. Fundamental research to increase the collector - DC emitter voltage of fast power semiconductors are immediately excluded.
Mit einer physikalisch konstruktiven Massnahme alleine ist diese Problematik nicht lösbar. Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Hochspannungsumformung mittels Kaskadierung beruht auf einer Modifizierung von Bauelementen und Baugruppen, der schaltungstechnischen Erweiterung und Verknüpfung von Bauelementen und Baugruppen, die jede für sich betrachtet für eine Hochspannungsanwendung nicht geeignet wären. Die Modifikation der einzelnen Bauelemente bezüglich der Architektur bewirkt grundlegende Veränderungen der physikalischen Eigenschaft in der Art, dass diese derart modifizierten Bauelemente für Hochspannungs-anwen¬ dungen erst brauchbar werden. Eine schaltungstechnische Erweiterung der Baugruppen bewirkt erst deren Einsatz in Spannungsbereichen, für den diese nicht konzipiert sind. Der erfindungsgemässe Gedanke der Vorrichtung, der Verknüpfung, Modifizierung und Erweiterung von Baugruppen und Bauelementen, beinhaltet ebenfalls ein wirksames, redundantes Sicherungssystem, das sowohl die Betriebssicherheit in der Serienanwednung als auch den Schutz des Systems und seiner Umgebung im Störfall des Systems gewährleistet. Die konsequente Durchführung dieses Verfahrens kompensiert ausserdem die fertiguπgstech nisch bedingten Exemplarstreuungen der spezifischen Parameter der Bauelemente. Das Fehlen oder Weglassen nur einer Komponente gefährdet die Zuverlässigkeit dieser Vorrichtung.This problem cannot be solved with a physically constructive measure alone. The device according to the invention for high-voltage conversion by means of cascading is based on a modification of components and assemblies, the circuitry expansion and connection of components and assemblies, which each would not be suitable for a high-voltage application. The modification of the individual components with regard to the architecture brings about fundamental changes in the physical property in such a way that these components, which have been modified in this way, can only be used for high-voltage applications. A circuit-related expansion of the modules only results in their use in voltage ranges for which they are not designed. The inventive idea of the device, the linking, modification and expansion of assemblies and components, also includes an effective, redundant security system that ensures both operational reliability in the series application and the protection of the system and its environment in the event of a fault in the system. The consequent implementation of this method also compensates for the manufacturing-related specimen scatter of the specific parameters of the components. The absence or omission of only one component jeopardizes the reliability of this device.
Aus dieser Problematik entstand der erfindungsgemässe Gedanke einer Vorrichtung, die auf folgenden drei Säulen beruht:This problem gave rise to the inventive idea of a device based on the following three pillars:
1. Sichersteliung einer vorgegeben Spannungsteilung der Hochspannung in Teilspannungen, die von den handelsüblichen Halbleitern verarbeitet werden können unter Berücksichtigung der - statischen Betriebszustände,1. Ensuring a predetermined voltage division of the high voltage into partial voltages that can be processed by commercially available semiconductors, taking into account the - static operating states,
- dynamischen Betriebszustände,- dynamic operating conditions,
- dynamischen Übergaπgszustände.- Dynamic transition states.
2. Konstruktionsmässige Modifizierung von Bauelementen zur Sicherstellung2. Constructional modification of components to ensure
- physikalisch technischer Anforderungen, - Beeinflussung der Wirkeigenschaften von Bauelementen.- physically technical requirements, - influencing the active properties of components.
3. Veränderung von Wirkeigenschaften von Bauelementen durch elektrische Beschaltungsmassnahmen.3. Change of active properties of components through electrical wiring measures.
Die Richtigkeit des erfindungsgemässen Gedankens dieser Vorrichtung zur Umformung von Hochspannung wurde durch die Realisisierung anhand eines Fallbeispieles, das unter Extrembedinguπgen getestet wurde, bewiesen und folgende technischen Parameter aufweist:The correctness of the inventive idea of this device for reshaping high voltage has been demonstrated by the implementation using a case study that was tested under extreme conditions and has the following technical parameters:
Eingangsspannung: 1,6kV - 3,9kV.Input voltage: 1.6kV - 3.9kV.
Ausgangsspannung: 55V konstant. Ausgangsstrom: 0 100A.Output voltage: 55V constant. Output current: 0 100A.
Ausgangsleistung: max. 5,5kW Dauernennleistung.Output power: max. 5.5kW continuous rated power.
Arbeitsfrequeπz: 20kHz.Working frequency: 20kHz.
Regelung durch: Pulsbreitenmodulation. Betriebsverhalten: Konstantspannung/ Konstantstrom.Regulation by: pulse width modulation. Operating behavior: constant voltage / constant current.
Eiπschaltvorgang: Start durch Kontaktierung der Hochspannungs- Stromquelle.Switching on: Start by contacting the high voltage power source.
Isolationsfestigkeit: PrimärjSek.: 10kV, 50Hz Sinus, 10minInsulation resistance: Primary Jsec: 10kV, 50Hz sine, 10min
Leistungshalbleiter: BUV 48C (Hochvoltschalt-transistor). Leistungsschalter.Power semiconductors: BUV 48C (high-voltage switching transistor). Circuit breaker.
Masse Leistungsteil: 15 kg. Masse Leistungstransformator: ca. 3kgMass power unit: 15 kg. Mass power transformer: approx.3kg
Gesamtmasse: 32kg, bestehend aus:Total mass: 32kg, consisting of:
Leistuπgsteil, Eingangs-Filter, zusätzlicher Schutzvorrichtungen und Stahlgehäuse. Abmessungen: 400 x 300 x 400 mm (L x Bx H).Power part, input filter, additional protective devices and steel housing. Dimensions: 400 x 300 x 400 mm (L x Wx H).
Wirkungsweise der Vorrichtung:Operation of the device:
Die Hochspannung wird über ein Eingangsfilter einem verlustarmen Spannungsteiler, in dem jeder Teiler der Kas¬ kade aus einer Parallelschaltung von jeweils einer aktiven und einer passiven Komponente besteht, zugeführt. Die in der Kaskade entstehenden Teilspannungen werden jeweils durch einen zugeordneten elektronischen Leistungsschal ter in pulsbreitenmodulierte, mittelfrequente Wechselspannungen umgewandelt. Die derart umgeformten Gleichspaπ nungen der Kaskade werden Teiltransformatorsystemen, bei denen die Energieübertragung vorwiegend zwischen den Wicklungen direkt erfolgt und die auf einem gemeinsamen Kern montiert sind, zugeführt. Die zugehörigen Sekundär¬ wicklungen der Teiltransformatorsysteme sind parallelgeschaltet einem Gleichrichter und Ausgangsfilter zugeführt. Alle Wandler werden zeitsynchron durch einen zentralen Triggergnenerator in Einschaltdauer und Polarität ges teuert.The high voltage is fed via an input filter to a low-loss voltage divider, in which each divider of the cascade consists of a parallel connection of one active and one passive component. The partial voltages that arise in the cascade are each converted into pulse-width-modulated, medium-frequency AC voltages by an associated electronic circuit breaker. The thus formed DC voltages of the cascade are supplied to partial transformer systems in which the energy transfer predominantly takes place directly between the windings and which are mounted on a common core. The associated secondary windings of the partial transformer systems are connected in parallel to a rectifier and an output filter. All converters are controlled synchronously in time and polarity by a central trigger generator.
Eine zusätzliche Uberwachungs- und Regelungs- und Sicherungselektronik gewährleistet jederzeit den sicheren Betrieb des Systemes in einem sicheren Kennfeld.Additional monitoring and control electronics and safety electronics guarantee the safe operation of the system at all times in a safe map.
Beschreibung von Bauelementen und Baugruppen: Erfindungsgemäss wird die Eingangspannung, eine Hochspannung in eine vorgegebene Anzahl von Teilspannungen in einem verlustarmen Spannungsteiler, der in allen Betriebszuständen, sowohl statisch als auch dynmisch, bei Leer¬ lauf, Vollast und in Übergangszuständen das Teilungsverhältnis der Hochspannung konstant hält, aufgeteilt. Die Übergangszustände sind als besonders kritisch und schwer beherrschbar einzuschätzen. Ein weiterer kritischer Betriebszustand ist das Undefinierte Anlegen der vollen Betriebsspannung, wie dies beispiels weise in der Kontaktierung einer Oberleitung durch den Stromabnehmer einer Lokomotive, stattfindet. Sys¬ teminterne Kapazitäten und Serien* Zuleitungs* Induktivitäten bei einem Generator mit sehr kleinem Innenwiderstand wie z. B. bei einer räumlich entfernten Gleichrichterstation, führen zu erheblichen Spannungsüberhöhungen, wie diese an Serienresonnanzkreisen bei Anlegen einer Sprungfunktion, auftreten.Description of components and assemblies: According to the invention, the input voltage, a high voltage into a predetermined number of partial voltages in a low-loss voltage divider, which keeps the division ratio of the high voltage constant in all operating states, both statically and dynamically, at idle speed, full load and in transition states , divided up. The transition states are particularly critical and difficult to control. Another critical operating state is the undefined application of the full operating voltage, as occurs, for example, in the contacting of an overhead line by the pantograph of a locomotive. System-internal capacities and series * supply * inductances in a generator with a very low internal resistance such as. B. in a remote rectifier station, lead to significant voltage spikes, such as these occur in series resonance circuits when a jump function is created.
Technisch wurde der Gedanke durch einen verlustarmen Spannungsteiler mit einer aktiven und einer passiven Komponente, gelöst. Die passive Komponente besteht in der Parallelschaltung aus einem Kondensator mit einem hochohmigen ohmschen Widerstand. In der Kaskade stellt dies einen frequenzkompensierten Teiler dar. Die aktive Komponente besteht aus einem zur passiven Komponente parallel geschalteten Netzwerk aus komplexen und aπsteu- erungsabhängigen Leistungswiderständen. Der komplexe Anteil besteht im transformierten lastabhängigen Ausgangs widerstand der Vorrichtung mit dessen Komplexanteilen der Ausgangsfilter und der Eπergieübertragungs- Strecke. Die ansteuerungsabhäπgigen Lastwiderstände bestehen aus den Leistungsschaitern mit deren Widerständen im durchgeschalteten Zustand und den variablen Widerständen während des Ein- und Ausschaltvorganges. Der Vorteil gegenüber allen Lösungen besteht darin, dass die maximal auftretende Wechselspannung an der zuge¬ ordneten Primärwicklung des Transformator- Teilsystemes dem Betrag nach nur der entsprechenden Teiler- Span¬ nung entspricht. Die einzelnen Wechselspannungen sind jeweils der durch die Stellung im Teiler bedingten Gleich spannungbetrag überlagert. (Gleichspannung als "Offset"). Die im Leistungstransformatαr und den übrigen Bauelementen zur Potentialtrennung entstehenden Laduπgsverschie bungen, die eine Funktion der Spannungs* Anstiegsgeschwindigkeit, Amplitude und der Frequenz der Wechselspan¬ nung sind, betragen nur einen Bruchteil deren, die beim Zerhacken der Hochspannung mit einer Kaskade aus Leis¬ tungshalbleitern in einer Stufe entstehen.Technically, the idea was solved by a low-loss voltage divider with an active and a passive component. The passive component consists of a capacitor with a high-ohmic resistance in parallel. In the cascade, this represents a frequency-compensated divider. The active component consists of a network of complex and control-dependent power resistors connected in parallel to the passive component. The complex part consists of the transformed load-dependent output resistance of the device with its complex parts of the output filter and the energy transmission path. The control-dependent load resistors consist of the power switches with their resistors in the switched-on state and the variable resistors during the switching on and off process. The advantage over all solutions is that the maximum alternating voltage that occurs on the assigned primary winding of the transformer subsystem corresponds to the amount of only the corresponding divider voltage. The individual AC voltages are superimposed on the DC voltage amount due to the position in the divider. (DC voltage as "offset"). The charge shifts that occur in the power transformer and the other components for potential separation, which are a function of the voltage rise rate, amplitude and frequency of the AC voltage, are only a fraction of those that occur when the high voltage is chopped with a cascade of power semiconductors one level.
Die Anforderungen an die Isolierwerkstoffe sind erheblich verkleinert. Die dabei entstehenden EMI Werte sind gegenüber allen anderen Verfahren erheblich kleiner. Die Unformung der einzelnen Teilspannungen am Spannungsteiler in Wechselspannuπgen, wie dies für eine Transfor¬ mation erforderlich ist, erfolgt in Verbindung mit einer Strom- oder Spannuπgsregelung über ein zentrales, puls weitenmoduliertes Treibersignal für die einzelnen Leistungsschalter innerhalb der Kaskade. Bei den Leistungsschaltern in diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um selbstschwingende Inverter, deren Einschaltdauer in beiden Stromrichtungen durch ein gemeinsames, externes Start* Stop- Triggersignal zeitsynchroπ, bestimmt wird. (Puisweitenmodulation).The requirements for the insulation materials are significantly reduced. The resulting EMI values are considerably smaller compared to all other processes. The deformation of the individual partial voltages on the voltage divider in alternating voltages, as is required for a transformation, takes place in connection with a current or voltage regulation via a central, pulse-width-modulated driver signal for the individual circuit breakers within the cascade. The circuit breakers in this exemplary embodiment are self-oscillating inverters whose duty cycle in both current directions is determined by a common, external start * stop trigger signal time-synchronized. (Puis width modulation).
Die pulsweitenmodulierte Ausgangsspannung, wobei die gleiche Puisweitenmodulation für die positive und negative Amplitude erforderlich ist, wird einem eigenen Transformatorsystem, dessen Anforderungen in einem späteren Kapitel eingehend behandelt werden, zugeführt. Streuinduktivität, Kopplungsgrad und Leistuπgs- Übertragungsverhal¬ ten jedes einzelnen Teiltraπsformatorsystemes müssen identisch sein. Die Teiltransformatorsysteme des Leistungstransformators sind auf einem gemeinsamen Kern montiert. Durch die Dimensionierung der kapazitiven Komponente des Spannungsteilers muss gewährleistet sein, dass die Ladungsmen¬ genentnahme während der Einschaltdauer des Inverters aus dem Teilerkondensator sehr viel kleiner ist als die Ladungsmenge jeden einzelnen Kondensators des Teilers. Durch eine derartige Verknüpfung ist die Anforderung bezüglich der statischen und dynamischen Betriebszustände voll erfüllt.The pulse width modulated output voltage, whereby the same pulse width modulation is required for the positive and negative amplitude, is supplied to a separate transformer system, the requirements of which will be dealt with in detail in a later chapter. Stray inductance, degree of coupling and power transmission behavior of each individual partial transformer system must be identical. The partial transformer systems of the power transformer are mounted on a common core. The dimensioning of the capacitive component of the voltage divider must ensure that the amount of charge withdrawn from the dividing capacitor during the on-time of the inverter is very much smaller than the amount of charge of each individual capacitor of the divider. With such a link, the requirements regarding the static and dynamic operating states are fully met.
Der kritische Teil der Übergangszustände wird im wesentlichen durch das Schaltverhalten der einzelnen Leistungshalbleiter jedes einzelnen Leistungsschalters bestimmt. Die Anforderung nach einem zeitsynchroπen Verlauf der Ausgangsspannung aller Leistuπgsschalter ist erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass das Leistungs- Steuersignal für die Leistungsschalter aus zwei, zeitlich aufeinanderfolgenden Leistungssignalen besteht. Das erste Leistuπgssignal ist in Zeitdauer und Amplitude definiert, das nachfolgende in der Amplitude kleinere ist durch Puisweitenmodulation in der Zeitdauer bestimmt. Beide Signale werden in separaten Endstufen des Triggergnenerators erzeugt.The critical part of the transition states is essentially determined by the switching behavior of the individual power semiconductors of each individual circuit breaker. The requirement for a time-synchronous course The output voltage of all power switches is solved according to the invention in that the power control signal for the power switches consists of two power signals which follow one another in time. The first power signal is defined in time duration and amplitude, the subsequent one, which is smaller in amplitude, is determined by pulse width modulation in the time duration. Both signals are generated in separate output stages of the trigger generator.
Bei ganz spezieilen Betriebszuständen, wie z. B. Kurzschluss oder "Soft-Start" Bedingungen, bei denen die Zeitdauer des pulsbreitenmodulierten Signales kürzer als die Dauer des ersten Signales ist, wird das erste Signal in seiner Zeitdauer vom pulsweitenmodulierten Signal bestimmt. Der sehr niedrige Iπnenwiderstand des 1. Signales mit hoher Amlitude und zeitlich definierter, konstanter Breite verhindert den durch die Induktivitäten der Treibertransformatoren und dem Generatorserienwiderstand der Endstufe üblichen, der R L Konstante folgenden Verlauf des Einschaltstromes der Leistungshalbleiter, und bewirkt ausserdem eine kräftige Übersteuerung dieser Halbleiter. Die Wirkung dieser Schaltungsanordnung äussert sich in der zeit synchronen und erheblich kürzen Einschaltdauer der einzelnen Leistungsschalter. Einflüsse der Exemplarstreuung der aktiven Bauelemente (Hochvolttransitoren) und passiven Bauelemte ( wie beispielsweise die unterschiedlichen Induktivitäten der Treiber- Transformatoren) werden dadurch eliminiert.In very special operating conditions, such as. B. short circuit or "soft start" conditions in which the duration of the pulse width modulated signal is shorter than the duration of the first signal, the first signal is determined in its duration by the pulse width modulated signal. The very low internal resistance of the 1st signal with a high amplitude and time-defined, constant width prevents the course of the inrush current of the power semiconductors, which follows the R L constant, due to the inductances of the driver transformers and the generator series resistance of the output stage, and also causes a strong overload of these semiconductors. The effect of this circuit arrangement manifests itself in the time-synchronous and considerably shorter duty cycle of the individual circuit breakers. Influences of the scattering of the active components (high-voltage transistors) and passive components (such as the different inductances of the driver transformers) are thereby eliminated.
Durch die Parallelschaltung der Primärwicklungen aller Treiber- Transformatoren und deren Verbindung mit einem zentralen, schnellen Leistungsschalter als Kurzschluss in der Endstufe des Pulsbreitenmodulators, erfolgt ebenfalls die zeitsynchrone, schnelle Abschaltung der Leistungsschalter in den einzelnen Leistungsschaltern. Die komplexe Wirkung der hohen Spannungs- Anstiegsgeschwindigkeiten an der Kaskade durch plötzliches Anlegen der Betriebsspannung wurde erfindungsgemäss als Ergebnis von Versuchen und Analysen durch Eingriffe in drei unterschiedlichen Ebenen der Vorrichtung, gelöst.By connecting the primary windings of all driver transformers in parallel and connecting them to a central, fast circuit breaker as a short circuit in the output stage of the pulse width modulator, the time-synchronized, fast opening of the circuit breakers in the individual circuit breakers also takes place. The complex effect of the high voltage rise speeds on the cascade by suddenly applying the operating voltage was solved according to the invention as a result of tests and analyzes by interventions in three different levels of the device.
1. Begrenzung der Spannungs- Anstiegsgeschwindigkeit auf einen vorgegebenen Maximalwert durch ein vorgeschaltetes Serienfirter. Es werden nicht die Auswirkungen mühsam bekämpft, sondern kritischen Zuständen wird aktiv vorgebeugt. 2. Kurzschluss der Primärwicklungen aller Treibertransformatoren über einen mechanischen Kontakt eines Relais in Ruhestellung.1. Limitation of the voltage rise rate to a predetermined maximum value by an upstream series filter. The effects are not combated with difficulty, but critical conditions are actively prevented. 2. Short circuit of the primary windings of all driver transformers via a mechanical contact of a relay in the rest position.
Das verbleibenden Restrisiko durch unkoordiniertes Einschalten einzelner Leistungshalbleiter in den Leistungsschal¬ tern, hervorgerufen durch Überschreitung der kritischen Spannungs* oder Stromsteilheit einzelner Halbleiter als Folge der Ladungsverschiebungen in der Kollektor- Basiskapazität, verstärkt durch die Rückkopplung über die Strom- ruckkoppel- Transformatoren der einzelnen Leistungsschalter wird durch Kurzschliessen der Primärwicklungen aller Treiber- Transformatoren durch einen mechanischen Relaiskontakt eines Relais in Ruhestellung, verhindert. Der Relaiskontakt wird nur bei Freigabe durch interne Schutzschaltungen, die in einem weiteren Kapitel eingehend beschrieben werden, geöffnet. 3. Sperrung des Pulsweitenmodulators bei Über- oder Unterschreitung des Kennfeldes von nur einem Spannungswächter jedes einzelnen Teilers der Kaskade.The remaining residual risk due to the uncoordinated switching on of individual power semiconductors in the power switches, caused by the critical voltage or current steepness of individual semiconductors being exceeded as a result of the charge shifts in the collector base capacitance, is increased by the feedback via the current jerk-transformer of the individual power switches by short-circuiting the primary windings of all driver transformers through a mechanical relay contact of a relay in the rest position. The relay contact is only opened when enabled by internal protective circuits, which are described in detail in a further chapter. 3. Blocking of the pulse width modulator if the characteristic map is exceeded or undershot by only one voltage monitor of each individual divider in the cascade.
Zum Zeitpunkt des Anlegens der Hochspannung müssen alle Leistungsschalter gesperrt sein. Erst nach Anliegen der Hochspannung dürfen die Leistungsschalter nur durch den Pulsbreitenmodulator gesteuert, eingeschaltet werden. Jedem Inverter ist ein Unter- und Überspannungswächter mit definiertem Arbeitsfeld zwischen diesen beiden Eck punkten zugeordnet, der jeder für sich alleine ein potentialfreies Freigabesignal an die Verknüpfungselektronik des Pulsbreitenmodulators abgibt.All circuit breakers must be blocked when the high voltage is applied. The circuit breakers may only be controlled and activated by the pulse width modulator after the high voltage has been applied. Each inverter is assigned an undervoltage and overvoltage monitor with a defined working field between these two corner points, each of which independently outputs a potential-free enable signal to the logic electronics of the pulse width modulator.
Aus Gründen der Betriebssicherheit und Schutz vor Folgen durch eine Zerstörung von Bauteilen mit Brand- oder explosionsartigen Zuständen durch hohe Energieinhalte der Ladung im kapazitiven Teiler der Kaskade, die durch die Störung in einem einzigen Leistungsschalter der Kaskade ausgelöst werden könnten, erfolgt die sofortige Sperrung des Freigabesignals. Die automatische Sperre des Freigabesignals wird durch Verlassen des vorgegeben Kennfeldes von nur einem Leistungsschalter in der Teilerkaskade ausgelöst, wie es beispielsweise beim Ausfall eines Leis¬ tungsschalters der Fall ist. Die Vorrichtung beinhaltet erfindungsgemäss nicht nur die Schaffung sicherer Betriebszustände, sondern auch aktive Betriebssicherheit durch Redundanz wirksamer, schnellen elektronische Sicherungen bei Betriebsstörungen, die niemals vollständig ausgeschlossen werden können. Den Normen entsprechende mechanische Schmelzsicherungen können jeweils nur einen Leistungsschalter schützen, verhindern aber nicht das Einschalten der verbleibenden Kaskade im Störfall. Ausserdem haben diese Sicherungen grosse mechanische Abmessungen und zu lange Ansprechzeiten, um beispielsweise ein explosionsartiges Zerplatzen von Leistungstraπsistoren zu verhindern.For reasons of operational safety and protection against the consequences of the destruction of components with fire or explosion-like conditions due to the high energy content of the charge in the capacitive divider of the cascade, which could be triggered by the fault in a single circuit breaker in the cascade, the enable signal is blocked immediately . The automatic blocking of the enable signal is triggered by leaving the specified characteristic map by only one circuit breaker in the divider cascade, as is the case, for example, when a circuit breaker fails. According to the invention, the device not only includes the creation of safe operating states, but also active operational safety through redundancy of effective, fast electronic fuses in the event of malfunctions that can never be completely excluded. Mechanical fuses in accordance with the standards can only protect one circuit breaker, but do not prevent the remaining cascade from being switched on in the event of a fault. In addition, these fuses have large mechanical dimensions and response times that are too long in order to prevent, for example, an explosive bursting of power transistors.
Die Aktivierung der Leistungsschalter durch den Pulsweiten-modulator im Störfall eines Leistungsschalters hätte die Folge, das durch das Ungleichgewicht in den aktiven Komponenten der Kaskade die Teilspannungen unzulässige Werte erreichen würden, was eine nachfolgende Zerstörung weiterer Bauelemente zur Folge hätte.The activation of the circuit breaker by the pulse width modulator in the event of a circuit breaker failure would result in the partial voltages reaching impermissible values due to the imbalance in the active components of the cascade, which would result in the subsequent destruction of further components.
Weitere Ausgestaltung der Erfindung gehen aus den Uπteransprücheπ hervor. Die Erfindung ist in Ausfüh- rungsbeispieleπ anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen stellen darFurther embodiments of the invention emerge from the subordinate claims. The invention is explained in more detail in exemplary embodiments using the drawings. In these represent
Fig. 1. Blockschaltbild mit Komponentensymbol- Ergänzungen gemäss der Erfindung eines Systemes zur technischen Durchführung der Vorrichtung. Fig. 2a. Oszillogramme von Spannungsverläufen am Eingang und in der Teilerkaskade. - Ohne Filter. Fig. 2b. Oszillogramme von Spannungsverläufen am Eingang und in der Teilerkaskade. - Mit Filter.Fig. 1. Block diagram with component symbol additions according to the invention of a system for the technical implementation of the device. Fig. 2a. Oscillograms of voltage profiles at the input and in the divider cascade. - Without filter. Fig. 2b. Oscillograms of voltage profiles at the input and in the divider cascade. - With filter.
Fig. 3. Einen in Fig. 1 Block 1 dargestellten Teiler der Kaskade, bestehend aus Kapazität, Widerstand, Leistungsschalter mit zugehörigem Spannungswächter (Block 1 in Verbindung mit Block 7), der zugehörigen Srommessung (Block 1 in Verbindung mit Block 8) und dem zugehörigen Teiltrans formatorsystem (Block 1 in Verbindung mit Block 2), als Stromlaufplan. Fig. 4. Stromlaufplan: Gleichrichtung, Siebung, Ausgangsspannungswächter mit Diagnosesystem und "Restart" Automatik. (Fig. 1, Block 4). Fig. 5. Stromlauf plan: Impulsformer, Leistungstreiberstufe. (Fig. 1, Block 5).Fig. 3. A in Fig. 1 block 1 shown divider of the cascade, consisting of capacitance, resistance, circuit breaker with associated voltage monitor (block 1 in connection with block 7), the associated current measurement (block 1 in connection with block 8) and the associated partial transformer system (block 1 in connection with block 2), as a circuit diagram. Fig. 4. Circuit diagram: rectification, screening, output voltage monitor with diagnostic system and "restart" automatic. (Fig. 1, block 4). Fig. 5. Current flow plan: pulse shaper, power driver stage. (Fig. 1, block 5).
Fig. 6. Stromiaufplan: Pulsweitenmodulator, Stromregler 1, Stromregler 2, Spannungsregler, Systemüberwachuπg. ( Fig. 1; Block 6, Block 9, Block 10, Block 11, Block 12). Fig .7a. Oszillogramme: Spanπungsverlauf vor dem Filter beim Einschalten der Hochspannung als Funktion der Zeit. Anlaufstrom des Systems als Funktion der Zeit. Fig .7b. Oszillogramme: Spannungsverlauf vor dem Filter beim Unterbrechen der Hochspannung durch Einziehendes Stromabnehmers mit Lichtbogenbildung. Stromverlauf des Systems während des Lichtbogens. Fig. 8. Oszillogramm: Stromverlauf durch Primärwicklungen des Leistungstransformatorsystemes nach Stromtrans formation und Gleichrichtung als Funktion der Zeit. Fig. 9. Mechanisches Bauelement für Leistungstransformator und Filterdrossel; Kasettenträgerplatte für spiralen- förmig geschnittenen Wicklungen aus Kupferfolien.Fig. 6. Current plan: pulse width modulator, current regulator 1, current regulator 2, voltage regulator, system monitoring. (Fig. 1; Block 6, Block 9, Block 10, Block 11, Block 12). Fig. 7a. Oscillograms: voltage curve before the filter when the high voltage is switched on as a function of time. Starting current of the system as a function of time. Fig. 7b. Oscillograms: Voltage curve in front of the filter when the high voltage is interrupted by the feeder Pantograph with arcing. Current flow of the system during the arc. Fig. 8. Oscillogram: Current curve through primary windings of the power transformer system after Stromtrans formation and rectification as a function of time. Fig. 9. Mechanical component for power transformer and filter choke; Cassette carrier plate for spirally cut windings made of copper foils.
Fig. 10. Schnittdarstellung von Fig.9, Fig. 11. Schnittdarsteliung von Fig. 9.Fig. 10. Sectional view of Fig. 9, Fig. 11. Sectional view of Fig. 9.
Fig. 12. Mechanisches Bauelement für Leistungstransformator und Filterdrossel; Kasettenträgerplatte für draht¬ formige, einlagige Kupferwicklungen. Fig. 13. Leistungstransformator (Block 2) Seitenansicht. Fig. 14. Leistungstransformator (Block 2) Draufsicht.Fig. 12. Mechanical component for power transformer and filter choke; Cassette support plate for wire-shaped, single-layer copper windings. Fig. 13. Power transformer (block 2) side view. Fig. 14. Power transformer (block 2) top view.
Fig. 15. Wickelkörper Sekundärspule; Schnittdarstellung mit 2 Sekundärwicklungen, Vorderansicht, Rückansicht. Fig .16. Wickelkörper Primärspule; Schnittdarstellung mit einer Primärwicklung, ein technisches Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Hochspannungsumformung mit den erforderlichen Verknüpfungen und Modifikationen wird anhand eines Blockschaltbildes erläutert. Dazu werden die in den Blöcken enthalteten Schaltungsanordnungeπ anhand von Stromlaufplänen, die in den Schaltungsan Ordnungen eingesetzten modifizierten Bauelemente anhand von technischen Zeichnungen erläutert.Fig. 15. Secondary bobbin; Sectional view with 2 secondary windings, front view, rear view. Fig. 16. Primary bobbin; Sectional view with a primary winding, a technical embodiment of the inventive device for high voltage conversion with the necessary links and modifications is explained using a block diagram. For this purpose, the circuit arrangements contained in the blocks are explained using circuit diagrams, and the modified components used in the circuit arrangements are explained using technical drawings.
Block 1. TEILERKASKAE mit Schaltungsanordunq LEISTUNGSSCHALTER.Block 1. TEILERKASKAE with circuit arrangement CIRCUIT BREAKER.
Der Hochspannungsteiler besteht aus einer Kaskade von Parallelschaltung von aktiven und passiven Komponenten. Die passive Komponente besteht aus einer Prallelschaltung von Kapazität und ohmschen Widerstand. Die aktive Komponente besteht aus einem Leistungsschalter mit einem Teiltransformatorsystem des Leistungstransformators am Ausgang. Über Transformator und Leistungsschalter erscheint der transformierte variable Ausgangswiderstaπd mit dem komplexen Anteil der Leistuπgsübertragungskette als Parallelwiderstand in Form einer aktiven Komponente zur passiven Komponente. Die Ausgestaltung eines Teilers der Kaskade in Block 1 ist in Fig. 3 dargestellt. Je nach verwendtem Leistungsschaltertyp, ob Halb- oder Vollbrücke ist die Gestaltung des Kondensators in der Teilerkaskade unterschiedlich. Im Fallbeispiel wurde ein Leistungsschalter in Halbbrückenkonfiguration eingesetzt. Bei diesem Invertertyp besteht der Kondensator aus der Serienschaltung von 2 Kondensatoren, wobei die Koπden satoren aus einer Parallelschaltung mehrerer Kondensatoren bestehen können. Betragsmässig müssen alle Kapazi¬ täten in der Kaskade, bis auf die Fertigungstoleranzen, gleich sein. In Fig. 3 besteht die Kapazität aus den Konden¬ satoren C111 bis C113. Der konstante Widerstandsanteil in Form von bochohmigen Widerständen, die aus Sicherheitsgründen zur Entladung der Kondensatoren im ausgeschalteten Zustand erforderlich sind, wird von den Widerständen Rl 11 und Rl 12 über nommen. Der durch die Widerstände fließenden Strom wird ausserdem zur Versorgung und Signaiübertragung des "Spannungswächters" mit der Gruppe 710a benutzt, die im entsprechenden Kapitel näher beschrieben wird.The high voltage divider consists of a cascade of parallel connection of active and passive components. The passive component consists of a parallel connection of capacitance and ohmic resistance. The active component consists of a circuit breaker with a partial transformer system of the power transformer at the output. The transformed variable output resistor with the complex portion of the power transmission chain appears as a parallel resistor in the form of an active component to the passive component via transformer and circuit breaker. The design of a divider of the cascade in block 1 is shown in FIG. 3. The design of the capacitor in the divider cascade differs depending on the type of circuit breaker used, whether half or full bridge. In the case example, a circuit breaker in a half-bridge configuration was used. In this type of inverter, the capacitor consists of the series connection of two capacitors, the capacitors being able to consist of a parallel connection of several capacitors. In terms of amount, all capacities in the cascade must be the same, except for the manufacturing tolerances. 3, the capacitance consists of the capacitors C111 to C113. The constant resistance component in the form of boho resistors, which are required for safety reasons to discharge the capacitors when switched off, is taken over by the resistors Rl 11 and Rl 12. The current flowing through the resistors is also used to supply and transmit the signal "Voltage monitor" used with group 710a, which is described in more detail in the corresponding chapter.
Die Maximalspannung an der Schaltungsanordnung "Spannungswächter" wird durch die Zenerdiode D 117 begrenzt.The maximum voltage at the "voltage monitor" circuit arrangement is limited by the Zener diode D 117.
LEISTUNGSSCHALTER. Im Fallbeispiel handelt es sich um einen Halbbrücke mit Strom- Mitkopplung, deren Etnschaltdauer jeder Halbperiode durch externe "Start" - "Stop" Signale bestimmt wird.CIRCUIT BREAKER. In the case example, it is a half-bridge with positive feedback, the duration of each switching period is determined by external "start" - "stop" signals.
Die Steuerung jedes Leistungsschalters in der Teilerkaskade erfolgt potentialfrei über einen eigenen Treibertransfor¬ mator. In Fig. 3 handelt es sich um den Transformator Tr. 111. Ankommende Steuerimpulse vom Block 5 (Fig. 1) schalten je nach Polarität die Transistoren des oberen Brückenzweiges, bestehend aus 0 113, Q 114 oder des unteren Brückenzweiges Q 111, Q 112, ein.Each circuit breaker in the divider cascade is controlled potential-free via its own driver transformer. In Fig. 3 it is the transformer Tr. 111. Incoming control pulses from block 5 (FIG. 1) switch on the transistors of the upper bridge branch, consisting of 0 113, Q 114 or of the lower bridge branch Q 111, Q 112, depending on the polarity.
Die entsprechende Netzwerke aus Dioden und Kondensatoren zwischen entsprechender Sekundärwicklung des Treibertransformators Tr. 111 und der Basis der zugehörigen Transistoren dienen einerseits einer negativen Vor¬ spannungserzeugung im "Aus- Zustand", anderseits bilden die Dioden D 116, D 115 eine "Antisättigungsschaltung" für die Leistungstransistoren. Entsprechend die Wirkungsweise der Dioden im anderen Brückenzweig. Die Kombination aus R 113, C 118 und C 117 ist ein Entlastungsnetzwerk beim Ausschalten der jeweiligen Leis¬ tungstransitoren. Ausserdem wird die hochfrequente Schwingung, die im Ausschaltvorgang entsteht, bedingt durch die verbleibende Streuinduktivität des Teiltransformators und parasitären Kapazitäten durch diese Elemente ge¬ dämpft. Der Laststrom am Ausgang des Leistungsschalters wird über einen Strom- Rückkoppeltransformator Tr.112 gleich phasig zur die Primärwicklung des Treibertransformators Tr.111 transformiert. Somit ist eine lastabhängige, op timalβ Stromsteuerung der Leistungstransistoren ohne eine zusätzliche Hilfsspannungsversorgung, gewährleistet. Der Ausgaπgsstrom des Inverters wird über einen Stromwandler Tr.113 erfasst und im Block 8 (Fig. 1, Fig. 3) gleichgerichtet und an der Bürde R 811 in eine dem Lasttrom proporioπale pulsierende Gleichspannung umgewan¬ delt, die wiederum über eine Sammelschiene für die "Puls by Puls" Stromregelung des Inverters verwendet wird.The corresponding networks of diodes and capacitors between the corresponding secondary winding of the driver transformer Tr. 111 and the base of the associated transistors serve, on the one hand, to generate a negative bias voltage in the “off state”, and on the other hand, the diodes D 116, D 115 form an “anti-saturation circuit” for the power transistors. Correspondingly, the mode of operation of the diodes in the other bridge branch. The combination of R 113, C 118 and C 117 is a relief network when the respective power transistors are switched off. In addition, the high-frequency oscillation which arises in the switching-off process is damped by these elements due to the remaining leakage inductance of the partial transformer and parasitic capacitances. The load current at the output of the circuit breaker is transformed in phase with the primary winding of the driver transformer Tr.111 via a current feedback transformer Tr.112. This guarantees a load-dependent, optimal current control of the power transistors without an additional auxiliary voltage supply. The output current of the inverter is recorded via a current transformer Tr.113 and rectified in block 8 (FIG. 1, FIG. 3) and converted at burden R 811 into a pulsating DC voltage proportional to the load current, which in turn is fed via a busbar for the "Pulse by pulse" current control of the inverter is used.
TREIBERTRANSFORMATOR.DRIVER TRANSFORMER.
Die hohen Anforderungen durch der Vorrichtung zur Hochspannunsumformung sind:The high requirements of the device for high-voltage forming are:
Hohe Isolationsspannungsfestigkeit. High dielectric strength .
- Grösser komplexer Widerstand, zur Vermeidung einer das Leistungssteuersignal störenden Differentiations- konstante.- Greater complex resistance, to avoid a differentiation constant that interferes with the power control signal.
Extrem kurze Verzögerungszeit zwischen Eingang* und Ausgangssignal. Extremely short delay time between input * and output signal.
- Kleine Exemplarstreuungen des komplexen Widerstandes bei Serienfertigung.- Small sample variations of the complex resistance in series production.
- Kleines Bauvolumen.- Small build volume.
- Kleine Koppelkapazität zwischen Primär- und Sekundärwicklung. - Niedrige Herstellkosten.- Small coupling capacity between the primary and secondary winding. - Low manufacturing costs.
Die Bedingungen des Anforderungsprofiles sind teilweise diametral verlaufend und sind nach dem Stand der Technik nicht gelöst. Erfindungsgemäss wurden die Aufgaben nachfolgend gelost.The conditions of the requirement profile are partially diametrical and are not solved according to the state of the art. According to the invention, the tasks were solved below.
Abweichend von der klassischen Bauweise, werden die Primärwicklung und Sekundärwicklungen auf getrennten, zylindrischen, kammerformigen Wickelkorpern aufgebracht, die im bewickelten Zustand ineinandergeschoben werdenDeviating from the classic design, the primary winding and secondary windings are applied to separate, cylindrical, chamber-shaped winding cores, which are pushed together when wound
Als Kern wird ein Kern der EE* oder EC Bauform verwendet Die beiden Sekundärwicklungen Fig 15, .2 und .3 sind in Folienform auf zwei nebeneinanderliegenden, durch einen rundumlaufenden Steg getrennten Kammern Fig. 15, 4 und 5 eines Wickelkorpers Fig. 15 .1 untergebrachtA core of the EE * or EC design is used as the core The two secondary windings Fig. 15, .2 and .3 are in foil form on two adjacent chambers Fig. 15, 4 and 5 of a winding former Fig. 15 .1 housed
Die Wicklungsendeπ "A", "E" sind an den beiden seitlichen Stirnflachen durch die geschlitzten Stege jeweils nach einer Seite herausgeführtThe winding ends π "A", "E" are led out on the two lateral end faces through the slotted webs to one side
Die Sekundärwicklungen befinden sich auf dem dünneren Wickelkoper, durch dessen Innenbohrung der Mitteisteg eines EC Kernes verlauft.The secondary windings are located on the thinner winding koper, through the inner hole of which the middle bar of an EC core runs.
Der Aussendurchmesser des Wickelkorpers mit den Sekundärwicklungen entspricht dem inπedurchmessers des zylindrischen Wickelkorpers Fig 16, .6 für die Primärwicklung .8 Die Primärwicklung ist als zylindrischeThe outer diameter of the winding body with the secondary windings corresponds to the inner diameter of the cylindrical winding body FIGS. 16, .6 for the primary winding .8 The primary winding is cylindrical
Drahtwicklung gestaltet und in der Wickelkammer .7 untergebracht.Wire winding designed and housed in the winding chamber .7.
Durch Presspassung der Spulenkorper untereinander entsteht eine Kapselung der Wicklungen mit dem Ergebnis einer hohen SpannungsfestigkeitBy press fitting the coil form with each other, the windings are encapsulated, resulting in a high dielectric strength
Durch räumliche Trennung und Positionierung der Wickelkorper, dass die Wickelenden an verschiedenen Seiten desBy spatial separation and positioning of the winding body that the winding ends on different sides of the
Kernes heraustreten, erhöht sich nochmals die Spannungsfestigkeit.Emerge, the dielectric strength increases again.
Auf den mit der Primärwicklung bewickelten Spulenkorper wird ein Kunststoffzylinder geschobenA plastic cylinder is pushed onto the bobbin wound with the primary winding
Die Wickelkorper bestehen aus temperaturbeständigen Werkstoffen mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante, wie z. B PolyamidThe wound bodies consist of temperature-resistant materials with a low dielectric constant, such as. B polyamide
Durch die erfindungsgemässe Bauweise wird ein definierter Mindestabstand zwischen den Wicklungen über die gesamte Wickelflache bei geringem Bauvolumen gewahrleistet Die Wicklungen sind somit in Kunstoff eingekapseltThe construction according to the invention ensures a defined minimum distance between the windings over the entire winding area with a small construction volume. The windings are thus encapsulated in plastic
Die zusammengebaute Anordung aus ineinandergeschobenen, bewickelten Spulenkαrpern mit äußerer Isoherhulse und Kern wird in einem Kunstofftrog eingegossen. Durch die auf Serienfertigung ausgelegten Wicklungsgeometrie und die entfernte räumliche Anordung der Pπmar spule zum Kern bei gleichen Entfernungen zur Sekundarspule ist wiederum die Exemplarstreuung der Transforma toren hinsichtlich des Impuls übertragungsverhalten gering und vemachlässigbar. Die Impulslaufzeiten imThe assembled arrangement of nested, wound bobbins with an outer iso-sleeve and core is cast in a plastic trough. Due to the winding geometry designed for series production and the distant spatial arrangement of the Pπmar coil to the core at the same distances from the secondary coil, the specimen scatter of the transformers is again low and negligible with regard to the pulse transmission behavior. The impulse running times in
Transformatorsystem sind lastunabhaπgig und vemachlässigbarTransformer systems are load independent and negligible
STROMRUCKKOPPEL- TRANSFORMATOR.POWER PRINCIPAL TRANSFORMER.
Das Anforderungsprofil an den Stromruckkoppeltransformator entspricht dem des Treibertransformators Bis auf geringfügige Abweichungen ist auch die Bauform identisch. Statt einer zweiteiligen Sekundärwicklung ist nur eine einteilige vorhandenThe profile of requirements for the power feedback transformer corresponds to that of the driver transformer. Apart from minor deviations, the design is identical. Instead of a two-part secondary winding, there is only one one-part winding
Beide Wickelkorper besitzen jeweils nur eine Wickelkammer. Die Sekundärwicklung ist ebenfalls auf der dünneren Wickelkammer, (kleiner räumliche Entfernung zum Kern), aufgebracht.Both winding cores each have only one winding chamber. The secondary winding is also applied to the thinner winding chamber (smaller spatial distance from the core).
SPANNUNGSWÄCHTER. Fig. 3 Der Strom durch die Widerstände der Teilerkaskade ist der Eingangsspannung proportional. In der Schaltungsanordnung des Spannungswächters wird der Strom in eine Spannung umgesetzt. Bei Unterspannung hält der Transistor Q 713 die Leuchtdiode D 713 kurzgeschlossen. Die Diode D 713 und der Fototransistor 0 714 dienen der potentialfreien Signalübertragung und sind beide in einem dunklen Kunststoffrohr angeordnet. Der Abstand beider Bauelemente entspricht den Sicherheitsanforderuπgeπ an die tsolationsspannungsfestigkeit.VOLTAGE MONITOR. Fig. 3 The current through the resistors of the divider cascade is proportional to the input voltage. In the circuit arrangement of the voltage monitor, the current is converted into a voltage. In the event of undervoltage, the transistor Q 713 keeps the light-emitting diode D 713 short-circuited. The diode D 713 and the photo transistor 0 714 are used for potential-free signal transmission and are both arranged in a dark plastic tube. The distance between the two components corresponds to the safety requirements for the insulation dielectric strength.
Beim Überschreiten der unteren Schwelispannung des Arbeitsfeldes, die durch die Diode D 712 bestimmt wird, setzt durch den Transistor Q 712 ein Stromfluss ein, was zur Sperrung von Transistor Q 713 führt. Die Diode D 713 ist stromdurchflossen und sendet ein Lichtsignal aus. Bei Überschreiten der oberen Schwellspannung des Arbeitsfeldes, die durch die Zenerdiode D 711 und die Widerstände R 715, R 716 bestimmt wird, setzt ein Stromfluss durch 0 71 1 ein. Die D 713 wird kurzgeschlossen, die Ansteuerung von Q 714 ist unterbrochen.When the lower threshold voltage of the working field, which is determined by diode D 712, is exceeded, current flows through transistor Q 712, which leads to transistor Q 713 being blocked. The diode D 713 has current flowing through it and emits a light signal. When the upper threshold voltage of the working field, which is determined by the Zener diode D 711 and the resistors R 715, R 716, is exceeded, a current flow through 0 71 1 begins. The D 713 is short-circuited, the control of Q 714 is interrupted.
Der erhebliche Vorteil dieser Schaltungsanordnung besteht darin, dass keine zusätzliche Hilfsversorgung mit hohen Anforderungen an Isolationsspannungsfestigkeit erforderlich ist. Der bereits vorhandene Teilerstrom wird zur Mes¬ sung, Energieversorgung der Schaltungsanordnung und Signalübertragung mitbenutzt. Die aus dem Betriebszustand resultierende Spannung an den Fototransistoren wird verstärkt und einem Komparator zugeführt.The significant advantage of this circuit arrangement is that no additional auxiliary supply with high requirements for insulation dielectric strength is required. The already existing divider current is used for measurement, power supply of the circuit arrangement and signal transmission. The voltage at the phototransistors resulting from the operating state is amplified and fed to a comparator.
Der logische Zustand aller Komparatoren wird verknüpft Nur im Falle, dass alle Leuchtdioden der einzelnen Über wachungselektroniken im Betrieb sind, erfolgt ein Freigabesignal für den Modulator und ein Öffnen des mechani¬ schen Relaiskontaktes, der alle Primärwicklungen der Treibertransformatoren kurzschliesst.The logic state of all the comparators is linked. Only in the event that all the light-emitting diodes of the individual monitoring electronics are in operation is there an enable signal for the modulator and an opening of the mechanical relay contact which short-circuits all primary windings of the driver transformers.
Block 2.Block 2.
LEISTUNGSTRANSFORMATOR.POWER TRANSFORMER.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung baut auf der gleichmässig proportionalen Verteilung der Energieübertragung der einzelnen Teiler der Kaskade auf.The device according to the invention is based on the uniformly proportional distribution of the energy transfer of the individual dividers of the cascade.
Im dynamischen Betriebszustand ist die gleichmässige Spannungsverteilung im Teiler von der präzischen Aufspal- tung der sekundärseitigen Gesamtlast durch Transformation von Teillasten mit gleichem Betrag parallel zu den einzelnen Stufen des Spannungsteiler, sicherzustellen. Diese Aufgabe wird vom Leistungstransformator (Fig. 1 , Block 2), der in eine Anzahl von Teiltransformatorsystemen aufgeteilt ist, die der Anzahl der Teilspannungen des Spannungsteilers entsprechen, übernommen. Der durch die Teiltransformatorsysteme entstehende magnetische Fluss durchflutet einen gemeinsamen Kern. Jedes Teiltransformatorsystem besteht aus mindestens einer stromzuführenden Primärwicklung in Käse tten bauweise, die aus einer eigenen Stromquelle (Leistungsschalter) gespeist wird und mindestens einer stromabführen¬ den Sekundärwicklung in Kasettenbauweise, die beidseitig der Primärwicklung durch Isoliermaterial getrennt, angeordnet sind. Ein absolut identisches Leistungs-Übertragungsverhalten ist Hauptvoraussetzung der Vorrichtung. Bei Transformatoren für die mittelfrequente Leistungsübertragung sind der Kopplungsgrad zwischen den Wicklungen, die Streuinduktivität und die Phasenverschiebung der Magnetfelder der Energieübertragung zwischen den Wicklun¬ gen und der Energieübertragung durch den Kern, dominante physikalische Parameter. Die Reproduzierbarkeit dieser Parameter mit nur kleinen Exemplarstreuungen ist eine unbedingte Anforderung der Vorrichtung an das Bauelement Leistungstransformator. Vorrichtungsbedingt kommt noch die hohe Anforderung an die Spannungsfestigkeit zwischen Primär und Sekundär hinzu.In the dynamic operating state, the uniform voltage distribution in the divider is to be ensured by the precise splitting of the secondary-side total load by transforming partial loads with the same amount parallel to the individual stages of the voltage divider. This task is performed by the power transformer (FIG. 1, block 2), which is divided into a number of sub-transformer systems which correspond to the number of sub-voltages in the voltage divider. The magnetic flux generated by the partial transformer systems flows through a common core. Each partial transformer system consists of at least one current-carrying primary winding in cheese construction, which is fed from its own power source (circuit breaker) and at least one current-carrying secondary winding in cassette construction, which are separated on both sides of the primary winding by insulating material. An absolutely identical power transmission behavior is the main requirement of the device. In transformers for medium-frequency power transmission, the degree of coupling between the windings, the leakage inductance and the phase shift of the magnetic fields of the energy transmission between the windings and the energy transmission through the core are dominant physical parameters. The reproducibility of these parameters with only small specimen variations is an unconditional requirement of the device for the power transformer component. Due to the device, there is also the high requirement for dielectric strength between primary and secondary.
Die Erfüllung der gestellten Anforderungen in dieser Konzentration wird von keinem Transformator nach Stand der Technik, auch nicht vom Scheibentransformator erfüllt.The fulfillment of the requirements in this concentration is not fulfilled by any state-of-the-art transformer, not even by the disc transformer.
Erfindungsgemäss werden diese Anforderungen, wie Reproduzierbarkeit des Kopplungsgrades und der Streuinduk¬ tivität bei hoher isoiationsfestigkeit in der Serienfertigung, durch die Architektur des Leistungstransformators und in der Ausgestaltung der Wicklungen als "Fertigbauteile", gelöst. Die Konstruktion und Ausgestaltung der einzelnen Primär- und Sekundärwicklungen als "Fertigbauteile", stellt hohe Anforderungen an die Konstruktion bezüglich der mechanischen Eigenschaften, wie z. B. Vibrationsfestigkeit, Tempe¬ raturbeständigkeit, Resistenz gegen hohe Luftfeuchtigkeit bei gleichzeitigem Hochspannungseinsatz. Aus diesen Anforderungen entstand der erfindungsgemässe Gedanke, eine Kunststoffplatte beidseitig derart reliefar¬ tig auszugestalten, dass auf jeder Seite je eine spiralförmige Wicklung in der Platte versenkt wird. Beidseitig wird die reliefartige Kunststoffplatte nach Einbetten der Wicklungen durch dünne, aufgeklebte Isolierplatten verschlossen. Die Trägerplatte ist im Bereich des Spiralenanfangs der Wicklungen an einer Stelle durchbrochen, dass eine Durch kontaktierung der Wicklungsanfänge möglich ist. Es ist nur darauf zu achten, dass der Wicklungssinn jeder Spirale entgegengesetzt gerichtet ist. Der Innenraum der Platte ist derart durchbrochen, dass ein Kern aus weichmagne¬ tischem Werkstoff durch die Platte gesteckt werden kann. Die Platten haben an den Ecken Zentrier- und Befestigungsbohrungen. An der Stirnseite für die elektrischen An Schlüsse der Spiralwicklungen entstehen Öffnungen, durch die Vergussmasse oder Flüssigkeit zum Tränken der Wicklung im Vakuum eindringen kann.According to the invention, these requirements, such as reproducibility of the degree of coupling and the leakage inductance with high insulation resistance in series production, are solved by the architecture of the power transformer and in the configuration of the windings as “finished components”. The construction and design of the individual primary and secondary windings as "prefabricated components" places high demands on the construction with regard to the mechanical properties, such as. B. vibration resistance, temperature resistance, resistance to high humidity with simultaneous use of high voltage. From these requirements, the idea according to the invention arose to design a plastic plate on both sides in such a relief that a spiral winding is sunk into the plate on each side. After embedding the windings, the relief-like plastic plate is closed on both sides by thin, glued insulating plates. The carrier plate is broken through in the area of the spiral start of the windings at a point such that contacting the winding starts is possible. It is only important to ensure that the winding direction of each spiral is directed in the opposite direction. The interior of the plate is broken through in such a way that a core made of soft magnetic material can be inserted through the plate. The plates have centering and fastening holes at the corners. At the end for the electrical connections of the spiral windings, openings are created through which potting compound or liquid can penetrate in order to soak the winding in a vacuum.
Es entsteht eine Kassette mit definierter und reproduzierbarer Isolation in jedem Bereich der Wicklung, entsprechend den Anforderungen der Isolationsfestigkeit für Hochspannung. Die technische Durchführung derartiger Kassettenträger ist in Fig. 9 als Draufsicht einer Seite und den Schnitt- darstellungen Fig. 10 und Fig. 11 zeichnerisch dargestellt. Es besteht grundsätzlich die Möglichkeit aus einer massiven Isolierstoffplatte durch Fräsen eine derartige Form zu gestalten. Eine weitere Möglichkeit ist die Herstel¬ lung als Spritzgussteil aus Polyamid oder einem ähnlichen Kunststoff. Eine dritte Art der Realisierung besteht in der formschlüssigen Verbindung von vorgefertigten Einzelteilen. Im Fallbeispiel wurde die Herstellung aus Einzelteilen gewählt. Auf einer Trägerplatte aus 0,5mm starken Epoxydharz, Fig. 9 .1, in der ein Iπnenfenster .5 ausgeschnitten ist, werden beidseitig Rameπ aus Kunststoff .2; .3; .4 an den Rändern der Platte festgeklebt. Die Materialstärke des Ramenmaterials sollte etwa 0,1mm stärker als Dicke der Spiraiwicklung sein. Um das Innenfenster .5 der Platte wird beidseitig ein Kunstofframen .6 mit gleicher Wandstärke aufgeklebt. Die Stegbreite des Ramens wurde mit 4mm gewählt. Durch die Geometrie der Wicklungsspirale ist eine Asymetrie der Trägerplatte erzwungen. Am länge ren Teil der Platte sind die Aussenramen durchbrochen. An diesen Stellen wird die Spiraiwicklung elektrisch kontaktiert. Oberhalb des Innenrahmens in Richtung der Öffnung ist die Trägerplatte von einem kleinen Fenster durchbrochen (Fig. 9, .7). Die geometrischen Abmessungen des Innenfeπsters sind durch die Kerngeometrie vorgegeben.The result is a cassette with defined and reproducible insulation in every area of the winding, in accordance with the requirements for insulation strength for high voltage. The technical implementation of such cassette carriers is shown in FIG. 9 as a top view of one side and the sectional representations of FIGS. 10 and 11. Basically, it is possible to shape such a shape from a solid insulating material plate by milling. Another possibility is the production as an injection molded part made of polyamide or a similar plastic. A third type of implementation consists in the form-fitting connection of prefabricated individual parts. In the case example, the production from individual parts was chosen. On a carrier plate made of 0.5 mm thick epoxy resin, FIG. 9 .1, in which an inner window .5 is cut out, plastic frames .2; .3; .4 glued to the edges of the plate. The material thickness of the frame material should be about 0.1mm thicker than the thickness of the spiral winding. A plastic frame .6 with the same wall thickness is glued on both sides of the inner window .5 of the panel. The ridge web width was chosen to be 4mm. The geometry of the winding spiral forces the carrier plate to be asymmetrical. The outer frames are broken through on the longer part of the plate. The spiral winding is electrically contacted at these points. Above the inner frame in the direction of the opening, the support plate is pierced by a small window (Fig. 9, .7). The geometric dimensions of the inner window are due to the core geometry given.
Die Zentrier- und Befestigungsbohrungen (Fig. 9, .8) müssen exakt gleich Entfernungen zu den zugehörigen Sym¬ metrieachsen aufweisen.The centering and fastening bores (FIGS. 9, .8) must be at exactly the same distances from the associated symmetry axes.
Bei einer Rotation der Kasette um 180° in der Zeichenebene müssen die Bohrungen und das Innenfenster absolut deckungsgleich sein.When rotating the cassette by 180 ° in the drawing plane, the holes and the inner window must be absolutely congruent.
In den Schnittdarstellungen der Fig. 9, den Figuren 10 und 11 wurden jeweils die Bezugszahleπ der Figur 9 ver¬ wendet, um die Symmetrie des Reliefs zur Montageplatte .1 besser darzustellen.In the sectional representations of FIG. 9, FIGS. 10 and 11, the reference numbers of FIG. 9 were used in each case in order to better illustrate the symmetry of the relief in relation to the mounting plate .1.
Der Typ des Kasettenträgers in Fig. 9 ist auf die besonderen Anforderungen einer Wicklung in Form einer spiralför¬ mig geschnittenen Kupferplatte abgestimmt. Der Durchbruch .7 durch die Trägerplatte .1 hat die Breite einer Win- düng der Spiralwicklung. Die Enden der Spiralwicklungen auf jeder Seite überlappen im Bereich des Fensters .7 und werden elektrisch miteinander leitend verbunden. Auf gegenläufigen Spiralverlauf ist zu achten. Die nach aussen führenden Enden jeder Spirale auf jeder Seite der Trägerplatte werden vorzugsweise so gestaltet, dass eine ein¬ fache, äussere Verbindung unter den einzelnen Fertigbauteilen möglich ist. Es ist vorteilhaft die Enden jeweils durch kleine Rohrnieten auf der Trägerplatte zu fixieren. Nach Einbetten der Wicklungen wird die Trägerplatte beidseitig mit einer Kunststof fplatte aus Isolierwerkstoff, beispielsweise einer 0.5 mm starken glasfaserverstärkten Kunst¬ stoffplatte, mit gleicher Geometrie wie die Trägerplatte, abgeschlossen. Die Platten werden durch Aufbringen eines Klebers auf den Stegen der Inneramen .6 und .2; .3; .7 der Aussenramen formschlüssig miteinander verbunden. Bei der in dieser Form gefertigten Kassette handelt es sich um ein "Fertigbauteil". Bei Gestaltung der Wicklung in Form einer Spirale aus Kupferdraht, empfiehlt sich eine optimalere Ausführung, wie sie in Fig. 12 zeichnerisch dargestellt wird.The type of cassette carrier in FIG. 9 is matched to the special requirements of a winding in the form of a spiral-shaped cut copper plate. The opening .7 through the carrier plate .1 has the width of a spiral fertilizer winding. The ends of the spiral windings on each side overlap in the area of the window .7 and are electrically connected to one another. Pay attention to the opposite spiral course. The outwardly leading ends of each spiral on each side of the carrier plate are preferably designed in such a way that a simple, external connection between the individual prefabricated components is possible. It is advantageous to fix the ends on the carrier plate with small tubular rivets. After embedding the windings, the carrier plate is closed on both sides with a plastic plate made of insulating material, for example a 0.5 mm thick glass fiber reinforced plastic plate with the same geometry as the carrier plate. The plates are made by applying an adhesive to the webs of the inner names .6 and .2; .3; .7 the outer frames are positively connected. The cassette manufactured in this form is a "prefabricated component". When designing the winding in the form of a spiral made of copper wire, a more optimal design is recommended, as shown in Fig. 12.
Auf der Trägerplatte mit einem Mittelfenster wird beidseitig je ein Kunststofframen .6 aufgeklebt. Auf einer Seite ist der Steg asymmetrisch und bis zur Hälfte rampenförmig ausgebildet. Die Höhe der Rampe ist von der verwen¬ deten Drahtstärke abhängig. Die Rampe ist so gerichtet, dass die Wicklung hinter der Rampe anfängt und im Uhr¬ zeigersinn verläuft. Im Bereich der abfallenden Flanke der Rampe .7 ist die Trägerplatte durchgebohrt, um den Draht für die Wicklung auf der anderen Seite durchzustecken.A plastic frame .6 is glued to both sides of the carrier plate with a central window. The web is asymmetrical on one side and ramp-shaped up to half. The height of the ramp depends on the wire thickness used. The ramp is directed in such a way that the winding begins behind the ramp and runs in a clockwise direction. The carrier plate is drilled through in the area of the falling flank of ramp .7 in order to insert the wire for the winding on the other side.
Die derart vorgefertigte Kunststoffplatte wird in einer besonderen Wickelvorrichtung beidseitig bewickelt. Nach einer provisorischen Fixierung der Wicklung werden beidseitig die Aussenramen .2; .3; .4 aufgeklebt. Nach diesem Schritt wird in der Fertigung wie beim bereits beschriebenen Typ der Kassette verfahren. Die Materialstärke der Innen und Aussenramen wird durch die Drahtstärke und einem Sicherheitszuschalg von ca. 0,2mm bestimmt. Die Stegbreite der Innen- und Aussenramen entspricht den Anforderungen an die Spannungs Isolationsfestigkeit.The prefabricated plastic plate is wound on both sides in a special winding device. After a provisional fixation of the winding, the outer frames .2; .3; .4 glued on. After this step, the manufacturing process is the same as for the type of cassette already described. The material thickness of the inner and outer frames is determined by the wire thickness and a safety margin of approx. 0.2 mm. The web width of the inner and outer frames corresponds to the requirements for voltage insulation resistance.
Das im Block 2 von Fig.1 des Ausführungsbeispieles dargestellte Gesamttransformatorsystem ist in Fig. 13 als Seitenansicht zeichnerisch dargestellt. Der Leistungstransformator besteht aus 6 Teiltransformatoren, Tr. 210 bis Tr. 260. In einem Fuss aus Isolierwerkstoff, .5 sind vier Gewindebolzen .7 eingeschraubt. Die "Fertigbauteile" sind in folgender Reihenfolge auf die Stehbolzen gesteckt: Isolierplatte .1; 0,2mm Micanit Kassette .2; ( Kupferplatten- Spiralen) Anschlüsse links Isolierplatte .1; 0,2mm Micanit Kassette .3; (Kupferdraht- Spirale) Anschlüsse rechts Isolierplatte .1; 0,2mm Micanit Kassette .2; (Kupferplatteπ- Spiralen) Anschlüsse links Isolierplatte .1; 0,2mm Micanit. Abstandshülsen .4 (4 Ringe aus 4mm starkem glasfaserverstärkten Kunststoff mit 12mm Aussen- und 5,5mm Innendurchmesser. Die montierten Teile ergeben das Teiltransformatorsystem Tr. 210.The overall transformer system shown in block 2 of FIG. 1 of the exemplary embodiment is shown graphically in FIG. 13 as a side view. The power transformer consists of 6 sub-transformers, Tr. 210 to Tr. 260. Four threaded bolts .7 are screwed into a foot made of insulating material .5. The "prefabricated components" are placed on the stud bolts in the following order: insulating plate .1; 0.2mm Micanit cassette .2; (Copper plate spirals) connections on the left insulating plate .1; 0.2mm micanite Cassette .3; (Copper wire spiral) connections on the right insulating plate .1; 0.2mm Micanit cassette .2; (Copper plate π spirals) connections on the left insulating plate .1; 0.2mm micanite. Spacer sleeves .4 (4 rings made of 4mm thick glass fiber reinforced plastic with 12mm outer and 5.5mm inner diameter. The assembled parts result in the partial transformer system Tr. 210.
In entsprechender Reihenfolge werden die Teiltransformatorsysteme Tr. 220 bis Tr. 260 montiert.The subtransformer systems Tr. 220 to Tr. 260 mounted.
Zwischen den Teiltransformatorsystemen sind Abstandsbolzen (Fig. 13 .4) eingesetzt. Durch die entstehenden Zwis chenräume kann der Leistungstransformator besser gekühlt werden, die kompakten thermischen Massen werden verkleinert. Das Paket aus Fertigteileπ wird mit zwei Massivstreifen aus GFK abgeschlossen und durch 4 Muttern M5 zusam- mengepresst. Auf die Darstellung von Unterlegscheiben und Sägezahnringeπ wurde verzichtet, weil sie für die Verständlichkeit bedeutungslos sind.Spacer bolts (Fig. 13 .4) are inserted between the partial transformer systems. The resulting intermediate spaces enable the power transformer to be cooled better and the compact thermal masses to be reduced. The package of finished parts is completed with two solid strips of GRP and pressed together by 4 M5 nuts. The presentation of washers and sawtooth rings was dispensed with because they are irrelevant for comprehensibility.
Der Kern ist aus einem 6 teiligen Ferritmaterial, Werkstoff N 27 zusammengesetzt. Aus "E" förmigen Aus¬ gangsstücken der Baureihe E55 werden bei zwei Kernen die Mittelstege herausgetrennt, dass zwei "U" förmige Stücke entstehen. Bei 2 "E" förmigen Ausgangsstücken werden die beiden Aussenschenkel abgetrennt, das vier "I" förmige Stege entstehen.The core is composed of a 6-part ferrite material, material N 27. In the case of two cores, the center webs are cut out from "E" shaped starting pieces of the E55 series, so that two "U" shaped pieces are created. With 2 "E" shaped starting pieces, the two outer legs are separated, the four "I" shaped webs are created.
Aus Gründen einer besseren Montage, besseren Stabilität und zur Vermeidung von Koronabildung an den scharfen Kanten der Ferrit- Stücke, werden die "I" förmigen Kernstücke in zwei "U"f örmige GFK Profilschieπen Fig. 13 und Fig. 14 .9 geschoben, die mit der Fläche zu den Wicklungen zeigen. Die Schienen sind an jeder Seite etwa 5mm länger als der Stapel aus Fertigteilen. Die zwei "U" förmigen Kernstücke .8; .12 an der Ober- und Unterseite des Wicklungsstapels mit den zwei 'T'förmigen Stegen .13, die in Profilschieπen .9 aus GFK eingebettet sind, bilden einen Ring aus Ferritwerkstoff um den Wicklungsstapel, der durch das Mittelfenster verläuft. Mechanisch werden die Teilstücke aus Ferritwerkstoff durch ein Messing- Spannband .10 in Fig. 13 u 14, das den Ferritring aussen umschiiesst zusammengepresst und mittels einer Schraube .1 1 an der Oberseite des Transformators unter Span nung gehalten. Bei Bedarf kann eine derart zusammengesetzter Bauform entsprechend auf der anderen Seite des Mittelfensters im Wicklungsstapel montiert werden. Bei einer Dauernenn- Leistung von 5,5kW ist der vorher be schriebene Kern voll ausreichend.For reasons of better assembly, better stability and to avoid corona formation on the sharp edges of the ferrite pieces, the "I" -shaped core pieces are pushed into two "U" -shaped GRP profile slides, FIGS. 13 and 14 .9, which with the surface facing the windings. The rails are about 5mm longer on each side than the stack of finished parts. The two "U" shaped core pieces .8; .12 on the top and bottom of the winding stack with the two 'T' shaped webs .13, which are embedded in profile rails .9 made of GRP, form a ring of ferrite material around the winding stack, which runs through the central window. The sections of ferrite material are mechanically compressed by a brass tensioning strap .10 in Fig. 13 and 14, which surrounds the ferrite ring on the outside and held under tension by means of a screw .1 1 on the top of the transformer. If necessary, such a construction can be mounted on the other side of the center window in the winding stack. With a continuous rated power of 5.5 kW, the core described above is fully sufficient.
Die Architektur bestimmt die Kerngestaltung gegenüber den klassischen Systemen, in denen die Wicklungen den Kernen nach DIN Norm angepasst werden. Die grosse Flexibilität durch baukastenförmige Zusammensetzung der Kerne bietet den Vorteil einer kostengünstigen Kerngestaltung.The architecture determines the core design compared to the classic systems in which the windings are adapted to the cores according to DIN standards. The great flexibility due to the modular composition of the cores offers the advantage of an inexpensive core design.
Der beschriebene Aufbau der Kassetten und die Montage der "Fertigteile" zu einem Leistungstransformator bietet den Vorteil der optimalen Gestaltung der Wicklungen und präzise reproduzierbare Positionierung der Wicklungen zueinander.The described construction of the cassettes and the assembly of the "finished parts" to form a power transformer offers the advantage of the optimal design of the windings and precisely reproducible positioning of the windings with respect to one another.
Die Voraussetzung für geringe Exemplarstreuungen bei Serienfertigung sind somit gegeben. Zwischen den einzelenen Kassetten wurde die Verwendung einer Platte aus Micanit beschrieben. Isolierwerkstoffe erfüllen häufig nicht gleichzeitig elektrische und mechanische Eigenschaften, die vom Verfahren gefordert werden. Aus diesem Grunde wurden hier 2 Werkstoffe mit den jeweiligen optimalen Eigenschaften paarweise eingesetzt. Micanit bietet den Vorteil selbst bei Extremtemperaturen, seine mechanische Festigkeit beizubehalten. Die Transformatorteilsysteme undfoder der Leistungs-transformator, können im Vakuum getränkt werden. Das Material zum Tränken kann durch die Durchbrüche in den Aussenramen zur Kontaktierung der Wicklungsenden erfolgen. Die Anzahl der Windungen jedes Transformator- Teilsystemes ist so dimensioniert, dass bei minimaler Eingangsspan¬ nung am Hochspannungs- Teiler, unter Berücksichtigung der Totzeit der Energieübertragung im zugeordneten Leis¬ tungsschalter und den Spannungsabfällen an den Leistungshalbleitern im Primär- und Sekundärkreis, die vor¬ gegebene Ausgangsspannung erreicht wird. Der maximale Ausgangsstrom entspricht dem Gesamtstrom, geteilt durch die Anzahl der Teiler in der Kaskade. Die zugehörigen Ausgänge der Sekundärwicklungen der Teiltransformatorsysteme werden in Form einer "• Parallelschaltung" miteinander leitend verbunden.The prerequisites for low copy dispersion in series production are thus given. The use of a Micanit plate was described between the individual cassettes. Insulating materials often do not simultaneously meet the electrical and mechanical properties required by the process. For this reason, two materials with the respective optimal properties were used in pairs. Micanit offers the advantage of maintaining its mechanical strength even at extreme temperatures. The transformer subsystems and the power transformer can be soaked in a vacuum. The material for impregnation can be made through the openings in the outer frame for contacting the winding ends. The number of turns of each transformer subsystem is dimensioned such that with a minimum input voltage at the high-voltage divider, taking into account the dead time of the energy transfer in the associated power switch and the voltage drops on the power semiconductors in the primary and secondary circuit, the given Output voltage is reached. The maximum output current corresponds to the total current divided by the number of dividers in the cascade. The associated outputs of the secondary windings of the partial transformer systems are conductively connected to one another in the form of a “parallel connection”.
Eine abschliessende Zusammenfassung zum Teilgebiet Leistungstrabsformator ergibt, dass die Forderung nach gleicher Energieverteilung im dynamischen Betriebszustand innerhalb des Hochspannungs* Teilers durch folgende physikalischen Vorgänge im Leistungstransformator und dessen Übertragungsverhalten bewiesen werden. Synchronisation des Magnetfeldes innerhalb des Leistungstransformators durch gemeinsamen Kern.A final summary of the sub-area power transformer shows that the demand for equal energy distribution in dynamic operating conditions within the high-voltage * divider is proven by the following physical processes in the power transformer and its transmission behavior. Synchronization of the magnetic field within the power transformer through a common core.
• Beinflusssung der benachbarten Teiltransformatorsysteme über elektromagnetische Kopplung innerhalb benach barter Teilsysteme, und die daraus resultierende Symmetrierung der Übertragungsleistung. - Einsetzender Differentialstromfluss in den Sekundärwicklungen bei Unsymmetrien der Ausgangsspannungsformen der Wechselspanπuπgeπ an einzelnen Leistungsschaltern innerhalb der Kaskade. Daraus resultierende Impulsform des Stromflusses in der Primärwicklung wird durch die Überwachungselektronik erfasst und erforderliche Regelmassnahmen durchgeführt.• Leg flow of the neighboring sub-transformer systems via electromagnetic coupling within neighboring sub-systems, and the resulting balancing of the transmission power. - The onset of differential current flow in the secondary windings in the event of asymmetries in the output voltage forms of the AC voltages at individual circuit breakers within the cascade. The resulting pulse shape of the current flow in the primary winding is recorded by the monitoring electronics and the necessary control measures are carried out.
Block 3.Block 3.
EINGANGSFILTER. Das bereits erwähnte Filter Fig. 1, Block 3 hat drei wesentliche Schutzfunktionen für die nachgeschaltete Leis¬ tungsschalterkaskade.INPUT FILTER. 1, block 3, has three essential protective functions for the downstream circuit breaker cascade.
1. Die definierte Begrenzung der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit bei Anlegen der Hochspannung.1. The defined limitation of the rate of voltage rise when high voltage is applied.
2. Das Kappen schneller Spannungsspitzen, die der Hochspannung überlagert sind.2. The cutting of rapid voltage peaks that are superimposed on the high voltage.
3. Vermeidung der Übertragung der beim Verfahren im System entstehenden Störspannungen in das Versorgungs netz.3. Avoidance of the transmission of the interference voltages generated during the process in the system into the supply network.
Das Filter besteht aus einer Serieniπduktivität und einer nachfolgenden Kapazität gegen Minus, was im Prinzip einen Serienresonnzkreis darstellt. Der Verbraucher, die Teilerkaskade, die eine lastabhängige Dämpfung dieses Schwingkreises darstellt, ist parallel zur Kapazität geschaltet. Aus Gründen der Spannungsfestigkeit kann die Kapazität auch als Serienschaltung von Kondensatoren ausgeführt sein. Die Serieninduktivität wird in 6 Teilinduk- tivitäten aufgesplittet, die in Kasettenbauweise wie der Leistungstransformator ausgeführt sind und auf einem gemeinsamen Kern mit Luftspalt montiert sind. Die Wicklungen sind elektrisch in Serie geschaltet. Zu dem grösseren Teil der in Serie geschalteten Wicklungen werden je nach Anforderungen an Sperrspaππuπgs- Festigkeit in Serie und in Sperrichtuπg geschaltete Dioden mit parallen Kapazitäten zur Spannungsaufteilung geschaltet. Zu den restlich verbleibenden Wicklungen wird eine Diode mit paraller Kapazität und einem Serienwiderstand parallel geschaltet.The filter consists of a series inductance and a subsequent capacitance against minus, which in principle represents a series resonance circuit. The consumer, the divider cascade, which represents a load-dependent damping of this resonant circuit, is connected in parallel to the capacitance. For reasons of dielectric strength, the capacitance can also be designed as a series connection of capacitors. The series inductance is split into 6 partial inductors, which are designed in a cassette design like the power transformer and are mounted on a common core with an air gap. The windings are electrically connected in series. The greater part of the windings connected in series are, depending on the requirements for blocking voltage strength diodes connected in series and in reverse with parallel capacitances for voltage distribution. A diode with parallel capacitance and a series resistor is connected in parallel to the remaining windings.
Die gegen Minus geschaltete Kapazität wird aus Gründen der Spannungsfestigkeit in Serienschaltuπg von Kapazi- täten mit parallelen ohmschen Widerständen ausgeführt, um eine Entladung der Kapazitäten im ausgeschalteten Zustand aus Sicherheitsgründen, zu gewährleisten. Die physikalische Eigenschaft eines Serienschwingkreises, bei Anlegen einer Sprungfunktion mit einer gedämpften Schwingung bestimmt durch Werte aus Induktivität und Kapa¬ zität zu antworten, wird durch die externe Parallelbeschaltung mit Dioden derart abgeändert, dass nur noch der verzögerte Spannungsanstieg der steigenden Flanke der Sinuswelle mit einem kleinen Spannuπgsüberschwinger in positiver Richtung, der durch den gedämpft beschalteten Anteil der Gesamtinduktivität verursacht wird, übrig bleibt. Der durch einen Serienwiderstand mit Diode in Sperrichtung bedämpfte Anteil der Induktivität bietet aber den Vorteil eines komplexen Serienwiderstandes für Wechselspannungsanteile, die der Gleichspannung überlagert sind. Ausserdem ist noch die Wirkung eines Eπtstörfilters des Systemes gegenüber der Hochspannungsquelle gegeben. Parallel zu den Kapazitäten ist eine Kaskade aus Varistoren geschaltet, deren Varistor- Spannungsbetrag etwa 10% der Nennspannung bei maximimaler Eingangsspannung, überschreitet.The capacitance switched against minus is carried out for reasons of the dielectric strength in series connection of capacitances with parallel ohmic resistors in order to ensure a discharge of the capacitances in the switched-off state for safety reasons. The physical property of a series resonant circuit, when a step function is applied, with a damped oscillation determined by values from inductance and capacitance, is modified by the external parallel connection with diodes in such a way that only the delayed voltage rise of the rising flank of the sine wave with a small one Voltage overshoot in the positive direction, which is caused by the damped portion of the total inductance, remains. The part of the inductance damped in the reverse direction by a series resistor with a diode, however, offers the advantage of a complex series resistor for AC voltage components which are superimposed on the DC voltage. In addition, there is still the effect of an interference filter of the system with respect to the high-voltage source. A cascade of varistors is connected in parallel with the capacitors, the varistor voltage amount of which exceeds approximately 10% of the nominal voltage at the maximum input voltage.
Im Fallbeispiel: Nennspannung 3kV, Maximalspannung 3,9kV; 10% Reserve 300V. Varistorspannung 4,2kV. (5 VDR - Widerstände in Serie mit Stoss- Strom von 2000A/ 20μsec; einer Energieabsorbtion von 5x 190W/2msec und einer Varistorspannung von 5x 820V. Messtechnisch konnte der Vergleich eines Spannungsverlaufes unter Nennspannungsbedingungen am Eingang der Teilerkaskade ohne Filter nicht durchgeführt werden, weil die entstehenden Spitzenspannungen ohne Filter eine sofortige Zerstörung der Leistungsschalter zur Folge hätten, wie dies im Oszillogramm, Figur 2a deutlich sichtbar ist, in der grosse Überschwinger von 1,6kV bei nur I kV Eingangsspannung entstehen. In Fig. 2a (1) ist der Spannungsverlauf am Eingang der Teilerkaskade, die nur aus 2 Teilern besteht, durch ein Oszillogramm dargestellt. Um die gleichen Spannuπgsverhältnisse an der Teilerkaskade zu erhalten, wie diese bei Normalbetrieb auftreten, konnte lediglich eine Teilerkaskade aus 2 Teilern und eine entsprechende Eiπgaπgsspan- nung von IkV verwendet werden. Auffällig ist der starke negative Anteil des Spaπnungsverlaufes nach Anlegen der positiven Versorgungsspannung. Der nachfolgende ca. 60%ige Überschwinger zeigt die Gefahren für die Halbleiter in der Teilerkaskade. Das Oszillogramm Fig. 2a (4) zeigt den Spannungsverlauf am 1. Teiler der Kaskade von 3,6kV. Deutlich sichtbar ist der zeit- und amplitudensynchrone Verlauf der Spannungen. Die Wirksamkeit der Filtergestaltung als Teilkomponente der erfindungsgemässen Vorrichtung ist eindeutig bewiesen.In the case example: nominal voltage 3kV, maximum voltage 3.9kV; 10% reserve 300V. Varistor voltage 4.2kV. (5 VDR - resistors in series with surge current of 2000A / 20μsec; an energy absorption of 5x 190W / 2msec and a varistor voltage of 5x 820V. Metrologically, the comparison of a voltage curve under nominal voltage conditions at the input of the divider cascade could not be carried out without a filter because the The resulting peak voltages without a filter would immediately destroy the circuit breakers, as can be clearly seen in the oscillogram, Figure 2a, in which large overshoots of 1.6 kV occur with an input voltage of only I kV. In Figure 2a (1) the voltage curve is at Input of the divider cascade, which consists of only 2 dividers, is represented by an oscillogram.To obtain the same voltage conditions on the divider cascade as they occur during normal operation, only a divider cascade consisting of 2 dividers and a corresponding input voltage from IkV could be used. What is striking is the strong negative part of the tension retention fes after applying the positive supply voltage. The following 60% overshoot shows the dangers for the semiconductors in the divider cascade. The oscillogram Fig. 2a (4) shows the voltage curve on the 1st divider of the cascade of 3.6 kV. The time and amplitude-synchronous course of the voltages is clearly visible. The effectiveness of the filter design as a sub-component of the device according to the invention has been clearly proven.
Block 4.Block 4.
GLEICHRICHTER und FILTER. Die symbolische Darstellung dieser Baugruppe in Fig. 1 Block 4 wird in Fig. 4 anhand eines Stromlaufplanes detailliert dargestellt. In der erfindungsgemässen Vorrichtung erfüllt die Schaltungsanordung folgende Aufgaben: - Gleichrichtung der pulsbreitenmodulierten Wechselspannung. - Siebung und Glättung der pulsbreitenmodulierten, gleichgerichteten Wechselspannung.RECTIFIER and FILTER. The symbolic representation of this assembly in FIG. 1 block 4 is shown in detail in FIG. 4 using a circuit diagram. In the device according to the invention, the circuit arrangement performs the following tasks: rectification of the pulse-width-modulated AC voltage. - Screening and smoothing of the pulse width modulated, rectified AC voltage.
- Veränderung des komplexen Widerstandsvektors am Ausgang des Systemes.- Change of the complex resistance vector at the exit of the system.
Schnelle Schutzvorrichtung bei Überschreitung einer vorgewählten Spannungsobergrenze. Fast protection device when a pre-selected upper voltage limit is exceeded.
- Sperre der Inverter bei Ansprechen des Überspannungsschutzes mit Zustandsanalyse und Restart. - Entkopplung des Ausganges und der Schutzvorrichtung von der Last, beispielsweise von Akkumulatoren. Die pulsbreitenmodulierte Wechselspannung an der Sammelschine der Teiltransformatorsysteme wird einem Zweiweggleichrichter zugeführt. Dieser besteht aus der Anordnung von schnellen Dioden D 410 ■ D 417 mit niedriger Fluss- Spannung. Das Kondensator- Widerstandsnetzwerk an den Gleichrichterdioden, bestehend R 411 bis R 414 und C 410 bis C 413 dient der Dämpfung von hochfrequenten Resonnanzschwiπguπgen, die durch die variablen Diodenkapazitäten und noch verbleibenden Streuiπduktivitäten des Leistungstransformators, entstehen. Außerdem wird die Spannungsverteilung bei Serienschaltung von Dioden erzwungen.- Inverters blocked when overvoltage protection is activated with status analysis and restart. - Decoupling the output and the protective device from the load, for example of accumulators. The pulse width modulated AC voltage on the busbar of the partial transformer systems is fed to a two-way rectifier. This consists of the arrangement of fast diodes D 410 ■ D 417 with low forward voltage. The capacitor resistor network on the rectifier diodes, consisting of R 411 to R 414 and C 410 to C 413, serves to dampen high-frequency resonance oscillations that arise from the variable diode capacitances and remaining stray inductances of the power transformer. In addition, the voltage distribution is forced when diodes are connected in series.
Die nachgeschaltete Induktivität L 410 verändert den komplexen Widerstandsvektor am Ausgang derart, dass der durch den Teiltransformator in den Ausgang des jeweiligen Leistungsschalters transformierte komplexe Widerstand, keinen Kurzschluss für die Leistungsschalter- Kaskade darstellt. Dem Lastwiderstand bei Nennlast von 0,55 Ohm ist ein kapazitiver Widerstand von -j O.l lmOhm parallelgeschaltet. Dieses würde ohne einen komplexenThe downstream inductor L 410 changes the complex resistance vector at the output in such a way that the complex resistance transformed into the output of the respective circuit breaker by the partial transformer does not represent a short circuit for the circuit breaker cascade. A capacitive resistance of -j O.l lmOhm is connected in parallel with the load resistor at a nominal load of 0.55 Ohm. This would be without a complex
Serieπwiderstand, der durch L 410 gebildet wird, im Schaltvorgang der Leistungsschalter einen unzulässigen Kurzschluss für die Leistungsschalter darstellen. Durch die anwendungsspezifische Dimensionierung der Induktivität und der Kapazitäten werden die Anforderungen an die Restwelligkeit erfüllt. Diese Beträgt im Fallbeispiel bei 100A und 55V bei einer Längsinuktivität von 45//H und einer Gesamtkapazität von 6x 600//F etwa 500mV. Aus Gründen der Betriebssicherheit und Reduzierung des Gefahrdungspotentiais für Menschen und Material sind im Verfahren zusätzliche Sicherungssysteme integriert. So z.B. wird der Ausgang des Systemes mit einer Läπgsdiode D 419 und einer Schmelzsicherung Si 410 für den Fall abgesichert, dass Bauteile auf der Sekundärseite des Inverters ausfallen, oder andere Sicherungen ansprechen. Im Fallbeispiel sind große Bleiakkumulatoren als Last angeschlossen. Welche Folgen ein Kurzschluss im Systemausgang ohne das Sicherungssystem hätte, ist leicht abschätzbar.Series resistance, which is formed by L 410, represent an impermissible short circuit for the circuit breaker in the switching process of the circuit breaker. The application-specific dimensioning of the inductance and the capacities fulfills the requirements for the residual ripple. In the case example at 100A and 55V with a longitudinal inductance of 45 // H and a total capacitance of 6x 600 // F, this is about 500mV. Additional safety systems are integrated in the process for reasons of operational safety and reduction of the risk potential for people and material. So e.g. the output of the system is secured with a length diode D 419 and a fuse Si 410 in the event that components fail on the secondary side of the inverter, or other fuses respond. In the case example, large lead accumulators are connected as a load. The consequences of a short circuit in the system output without the fuse system can be easily estimated.
Eine erhebliche Gefahr besteht ausserdem darin, dass im Falle eines Überspringeπs der Hochspannung im Primärkreis auf den Sekundärkreis, aus welchen Gründen auch immer, diese durch einen schnellen Schalter gegen Masse abgeleitet wird. Gründe könne nicht absehbare, erhebliche Überspannungen, Materialfehler beim Isolationsmaterial oder ein mechanischer Crash sein. In diesem Fall wird ein Leistungsthyristor bereits bei Überschreitung einer Ausgangsspannung von BOV gezündet, der den Ausgang des Filters kurzschliesst. Im Falle eines Hochspannungsdurchbruches wird die Schmelzsicherung durch diesen Kurzschluss im Eingang des Hαchspannuπgsfilters zerstört. Die Schutzfunktion ist voll erfüllt. Ohne die Diode D 419 würde sofort die Sicherung Si 410 im Ausgang aufgrund der Batteriespannung schmelzen und ein Totalausfall des Systemes wäre die Folge. Der Einsatz von Geräten nach diesem Verfahren erfolgt in Räumen mit erheblichen elektromagnetischen Störfeldern, wie z.B. Elektrolokomotiven. Eine Fehlauslösung des Thyristors Th 410 durch elektromagnetische Einstrahlung in der "Gate* Zone" kann trotz Entstörmassnahmen nie ausgeschlossen werden. Eine automatische Diagnose* und Sicherungs- Elektronik überwacht den Ausgang des Filters in der erfindungsgemässen Vorrichtung. Von der Elektronik müssen zwei unterschiedliche Betriebszustände unterschieden werden:There is also a considerable danger that, in the event of a high voltage skipping in the primary circuit onto the secondary circuit, for whatever reason, it is diverted to ground by a fast switch. Reasons could be unforeseeable, significant overvoltages, material defects in the insulation material or a mechanical crash. In this case, a power thyristor is ignited when an output voltage of BOV is exceeded, which short-circuits the output of the filter. In the event of a high-voltage breakdown, the fuse is destroyed by this short circuit in the input of the high-voltage filter. The protective function is fully fulfilled. Without the diode D 419, the fuse Si 410 would immediately melt in the output due to the battery voltage and the system would fail completely. Devices using this method are used in rooms with considerable electromagnetic interference fields, such as electric locomotives. A false triggering of the Th 410 thyristor by electromagnetic radiation in the "Gate * Zone" can never be excluded despite interference suppression measures. An automatic diagnosis and safety electronics monitors the output of the filter in the device according to the invention. Two different operating states must be distinguished from the electronics:
1. Start des Systemes mit Spanπungshochlauf.1. Start of the system with voltage ramp-up.
2. Betriebsstörung mit Abfall der Ausgangsspannung.2. Malfunction with drop in output voltage.
Der Thyristor Th 410 hat die Aufgabe eines harten Kurzschlusses des Systemausganges. Aus diesem Grunde dürfen keine Bauelemente in diesem Stromkreis angeordnet sein, die bei einem Hochspannungsdurchbruch die Wirksamkeit dieses Schutzkreises gefährden könnten. Der Leitzustand des Thyristors kann nicht über einen Stromfluss durch den Thyristor, sondern nur indirekt über den Spannungszustand am Thyristor erfasst und diagnostiziert werden. Die nachfolgende Auswerte- und Sicherungselektronik erstellt die notwendigen Steuerbefehle für die Leistungsschalter- Kaskade. Wie bereits erwähnt hat das Hochspannungs* Umformungssystem eine KoπstantspaππuπgsfKonstantstrom-The thyristor Th 410 is responsible for a hard short circuit of the system output. For this reason, no components may be arranged in this circuit that could endanger the effectiveness of this protective circuit in the event of a high voltage breakdown. The conducting state of the thyristor cannot be detected and diagnosed via a current flow through the thyristor, but only indirectly via the voltage state at the thyristor. The following evaluation and fuse electronics create the necessary control commands for the circuit breaker cascade. As already mentioned, the high-voltage conversion system has a constant-voltage constant-current
Charakteristik. Im Konstantstrom* Betrieb ist die Ausgangsspannung eine Funktion des Lastwiderstaπdes und nimmt teilweise sehr niedrige Werte an. Für die automatische Diagnose steht ein nur sehr kleines Spannungs -Fenster zurCharacteristic. In constant current operation, the output voltage is a function of the load resistance and sometimes takes on very low values. There is only a very small voltage window for automatic diagnosis
Verfügung.Available.
Das Kernstück des Diagnosesystemes ist ein l Ostufiger Komparator IC 414, dessen 10 Ausgänge im "DOT" Modus auf "Logisch 1" stehen und in 0,5V Schritten zwischen 0,5V und 5V entsprechend der Eingangsspannung jeweils auf " Logisch 0" springen. Der Teiler bestehend aus R 436, D 437, R 438 und R 433 erlaubt eine lineare Zustandsdiagnose der Ausgangsspannung zwischen 0 und 8V. Durch die Parallelschaltung von D 442 zu R 437 und R 438 entsteht eine Spannungslupe für diesen Bereich. Die logische Verknüfung und Auswertung der Zustände an den Komparatorausgängen erfolgt im "NOR Gatter" des IC 412.The heart of the diagnostic system is a 1-stage comparator IC 414, whose 10 outputs are set to "Logical 1" in "DOT" mode and jump to "Logical 0" in 0.5V increments between 0.5V and 5V depending on the input voltage. The divider consisting of R 436, D 437, R 438 and R 433 allows a linear status diagnosis of the output voltage between 0 and 8V. The parallel connection of D 442 to R 437 and R 438 creates a magnifying glass for this area. The logic linkage and evaluation of the states at the comparator outputs takes place in the "NOR gate" of the IC 412.
Im Zustand von "Logisch 0" aller 4 Eingänge erfolgt eine Ansteuerung des Transistors Q 410 über eine weitere "Oder" Verknüpfung, bestehend aus den Dioden D 424, D 425 und D 426. Durch die Ansteuerung des Relais Re 410 wird de Eingang "Spannungswächter" am Pulsbreitenmodulator kurzgeschlossen. Dieser Schaltzustand hat Priorität gegenüber dem Freigabesignal durch die Spanπungswächter der Teilerkaskade und erzwingt die Sperrung aller Leistungsschalter der Kaskade.In the state of "Logical 0" of all 4 inputs, the transistor Q 410 is actuated via a further "Or" link, consisting of the diodes D 424, D 425 and D 426. By activating the relay Re 410, the "voltage monitor" input is activated "short-circuited on the pulse width modulator. This switching state has priority over the enable signal by the voltage monitors of the divider cascade and forces the blocking of all circuit breakers in the cascade.
Die steigende Flanke am Ausgang von IC 412 löst einen Impuls mit definierter Zeitdauer am Mαnofiop IC 410 aus, der über eine "Oder-Verkπüfung", die Diode D 425 den Sperrzustaπd für die Leistungsschalter aufrecht erhält. Die Sperre ist für die Entladung der Kondensatoren im Ausgangsfilter erforderlich, damit der Thyristor Th 410 sicher löschen kann. Eine Überspannung an der Kathode der Diode D 418 löst automatisch eine Sperre der Leistungsschalter aus. Die Zener diode D 422 wird leitend und steuert Transistor Q 411 an. IC 411 invertiert den Logikzustand und steuert über D 424 den Transistor Q 410 an, dessen Funktion bereits beschrieben wurde.The rising edge at the output of IC 412 triggers a pulse with a defined duration at the Mαnofiop IC 410, which maintains the blocking state for the circuit breakers via an "OR connection", the diode D 425. The lock is required to discharge the capacitors in the output filter so that the Th 410 can safely extinguish. An overvoltage on the cathode of diode D 418 automatically triggers a blockage of the circuit breakers. The Zener diode D 422 becomes conductive and drives transistor Q 411. IC 411 inverts the logic state and controls the transistor Q 410 via D 424, the function of which has already been described.
Das ungestörte Anlaufen der Leistungsschalter der Kaskade während des "Soft- Startes" wird auf folgende Weise sichergestellt: Im Bereich zwischen 0 und 0,5V ist durch den "H" Zustand von einem Eingang des IC 412 durch R 424 die elektronische Sicherung deaktiviert. Bei Überschreiten der 0,5V Obergrenze wird über D 440 0 416 durchgeschaltet. Q 416 steuert über R 433 und D 432 IC 413 an, das seinerseits einen durch R 430 und C 425 in seiner Zeitkonstante bestimmten Impuls auslöst und durch den "H" Pegel die Sicherung ausgeschaltet hält, obwohl durch die zeitgleiche Ansteuerung von Q 412 über D 428 und R 426 der Eingang mit dem einzigen "H" Pegel auf "0" fällt. Bei einem weiteren Anstieg der Spannung zwischen 1,5 und 4,5V übernimmt Q 414 die Aufgabe von Q 416. Überschreitet die Ausgangsspannung noch während der Zeitkonstante von IC 413 den 5V Pegel, bleibt der Komparator von IC 414 als einziger auf "0". Q 413 wird über D 430 angesteuert und hält über einen "H" Pegel an einem Eingang von IC 412 die elektronische Sicherung gesperrtThe undisturbed starting of the circuit breaker of the cascade during the "soft start" is ensured in the following way: In the range between 0 and 0.5 V, the "H" state of an input of the IC 412 through R 424 deactivates the electronic fuse. If the 0.5 V upper limit is exceeded, the D 440 0 416 is switched through. Q 416 controls via R 433 and D 432 IC 413, which in turn one through R 430 and C 425 in its Time constant triggers a specific pulse and the "H" level keeps the fuse switched off, although the simultaneous activation of Q 412 via D 428 and R 426 causes the input with the only "H" level to drop to "0". If the voltage rises further between 1.5 and 4.5 V, Q 414 takes over from Q 416. If the output voltage exceeds the 5 V level during the time constant of IC 413, the comparator of IC 414 remains the only one at "0". Q 413 is controlled via D 430 and holds the electronic fuse blocked via an "H" level at an input of IC 412
Fällt bei einem Störfall ( Kurzschluss verursacht durch die angeschlossenen Verbraucher oder Auslösung von Th 410) die Ausgangsspannung unter 5V, wird Q 413 gesperrt und Q 414 leitend, und die elektronische Sicherung löst aus. Die Sperre bleibt solange aufrechterhalten, bis die Spannung an der Kathode von D 419 kleiner 0,5V. Das Verhalten der elektronischen Sicherung bietet den Vorteil, dass im Störfall durch Auslösung von Th 410 durch einen EMI Puls grösser 80V an der Kathode oder grösser 0,7V am Gate, der Thyristor automatisch durch Abschalten der Vorrichtung und Entladung der Filterkondensatoren C 415 bis 422 gelöscht wird. Das System versucht automatisch wieder einen "RESTART". Liegt kein Störfall durch Kurzschluss im Verbraucherkreis oder Ansprechen der Hochspannungssicherung vor, arbeitet das System wieder störungsfrei. Eine derartige elektronische Sicherung steigert erheblich die Betriebssicherheit des erfindungsgemässen Verfahrens und vermindert erheblich den Wartungsaufwand am System zur Hochspannungsumformung.If the output voltage falls below 5 V in the event of a malfunction (short circuit caused by the connected loads or Th 410 triggered), Q 413 is blocked and Q 414 is conductive, and the electronic fuse trips. The lock is maintained until the voltage at the cathode of D 419 is less than 0.5V. The behavior of the electronic fuse offers the advantage that in the event of a malfunction, by triggering Th 410 with an EMI pulse greater than 80 V at the cathode or greater than 0.7 V at the gate, the thyristor is automatically extinguished by switching off the device and discharging the filter capacitors C 415 to 422 becomes. The system automatically tries a "RESTART" again. If there is no malfunction due to a short-circuit in the consumer circuit or the high-voltage fuse responding, the system works again without any problems. Such an electronic fuse significantly increases the operational reliability of the method according to the invention and considerably reduces the maintenance expenditure on the system for high-voltage conversion.
Die Anordnung von R 410 für die kontinuierliche Strom- Messung und Strom- Regelung ist so gewählt, dass die Kreisströme des Filters nicht erfasst werden.The arrangement of R 410 for continuous current measurement and current control is selected so that the circuit currents of the filter are not recorded.
Block 5.Block 5.
TRIGGERGENERATOR:TRIGGER GENERATOR:
Die erfindungsgemässe Vorrichtung stellt sehr hohe Anforderungen an den Tiggergenerator für die Leistungsschalter, die von Treibern nach Stand der Technik nicht erfüllt werden.The device according to the invention places very high demands on the trigger generator for the circuit breakers, which are not met by prior art drivers.
Integrierte Treiberschaltungen nach Stand der Technik können auch durch zusätzliche äussere Beschaltuπg nicht derart erweitert werden, dass diese folgende Anforderungen erfüllen könnten.Integrated driver circuits according to the prior art cannot be expanded in such a way by additional external wiring that they could meet the following requirements.
- Sehr kleinen Inπenwiderstand beim Kurzschluss der Strom- Rückkoppeltransformatoren in den Leistungsschalterπ der Teiterkaskade beim "Stop" Befehl für die Leistungsschalter mit Strommitkopplung.- Very small internal resistance in the event of a short circuit in the current feedback transformers in the circuit breaker of the Teiterkaskade with the "Stop" command for the circuit breaker with current coupling.
■ Entkopplung der Impulsspannung an der Primärwicklung der Treibertransformatoren gegenüber den Leistungsschal tern der Hilfsspannungsquelle, deren Amplitude in Abhängigkeit vom Laststrom bei Mitkopplung der Leistuπgsschalter grösser ist als die Hilfsspannung.Decoupling the pulse voltage at the primary winding of the driver transformers compared to the circuit breakers of the auxiliary voltage source, the amplitude of which is greater than the auxiliary voltage as a function of the load current when the power switch is also coupled.
■ Definierte Impulsdauer einer Einschaltübersteuerung mit sehr geringem Inπenwiderstand beim "Start"- Befehl. In Fig. 1 Block 5 ist das Kernstück der Leistungstreiberstufe symbolisch, in Fig. 5 im Detail als Stromlaufplan dasgestellt.■ Defined pulse duration of a switch-on overload with very low internal resistance when the "Start" command is given. In Fig. 1 block 5 the core of the power driver stage is symbolic, in Fig. 5 in detail as a circuit diagram.
Die Vorrichtung zur Hochspannungsumformung erfordert folgende Ansteuerungen der Treibertransformatoren zum Betrieb der Leistungsschalter in der Kaskade und die dazugehörigen Schaltzustände der Leistungsschalter der Brücke des Triggergenerators: Leistungsschalter der Kaskade "AUS": Schaltzustand der Brücke des Triggergenerators: Q 510 und Q 511 "Ein". Q 520, Q 518, Q 521, Q 519 "Aus". Leistungsschalter der Kaskade "EIN": Oberen Schalter der Halbbrückenkonfigurationen. Schaltzustand der Brücke des Triggergenerators: Einschaltvorgang: Q 520, Q 518, Q 511 "Ein". Q 510, Q 519, Q 521 "Aus ".The device for high-voltage conversion requires the following controls of the driver transformers for operating the circuit breakers in the cascade and the associated switching states of the circuit breakers of the trigger generator bridge: Circuit breakers of the cascade "OFF": Switching state of the bridge of the trigger generator: Q 510 and Q 511 "On". Q 520, Q 518, Q 521, Q 519 "Off". Circuit breaker of the cascade "ON": Upper switch of the half-bridge configurations. Switching state of the bridge of the trigger generator: Switching on: Q 520, Q 518, Q 511 "On". Q 510, Q 519, Q 521 "Off".
Puisweitenmodulation: Q 520, Q 511 "Ein". Q 518, Q 519, Q 521, Q 510 "Aus". Leistungsschalter der Kaskade "AUS": Eingangs beschrieben.PU width modulation: Q 520, Q 511 "On". Q 518, Q 519, Q 521, Q 510 "off". Circuit breaker of the cascade "OFF": input described.
Leistungsschalter der Kaskade "EIN": Unteren Schalter der Halbbrückenkonfigurationen. Schaltzustand der Brücke des Triggergenerators: Einschaltvorgang: Q 519, Q 521, Q 510 "Ein"; Q 518, Q 520; Q 511 "Aus ".Circuit breaker of the cascade "ON": Lower switch of the half-bridge configurations. Switching state of the bridge of the trigger generator: Switching on: Q 519, Q 521, Q 510 "On"; Q 518, Q 520; Q 511 "Off".
Puisweitenmodulation: Q 521, Q 510 "Ein"; Q 519, Q 518, Q 520, 511 "Aus". Erst durch Erweiterung der Brücke um jeweils einen weiteren, separat angesteuerten Leistungsschalter im oberen Brückenzweig mit einer "Oder" Verknüpfung im Zustand "Energie liefern" werden alle Anforderungen der Vorrich¬ tung erfüllt. Die Brücke wird aus einer Hilfsspannung von 19 24V gespeist. Das pulsweitenmodulierte Steuersignal für Gegentakt- Ansteuerung am Ausgang eines Pulsweiteπmodulators ist für diese Anforderungen ungeeignet. In einer zusätzlichen Impulsformerstufe erfolgt die logische Verknüpfung und Erzeugung der Schaltsignale für die 6 Schalter ( Q 510, Q 511, Q 518, Q 519, Q 520 und Q 521) entsprechend den Anforderungen der Vorrichtung.Puis width modulation: Q 521, Q 510 "On"; Q 519, Q 518, Q 520, 511 "Off". Only by expanding the bridge by a further, separately controlled circuit breaker in the upper bridge branch with an "or" link in the "supply energy" state, all the requirements of the device are met. The bridge is powered by an auxiliary voltage of 19 24V. The pulse width modulated control signal for push-pull control at the output of a pulse width modulator is unsuitable for these requirements. In an additional pulse shaper stage, the logic combination and generation of the switching signals for the 6 switches (Q 510, Q 511, Q 518, Q 519, Q 520 and Q 521) takes place in accordance with the requirements of the device.
Bei logisch "L" an den Ausgängen des Pulsweitenmodulators müssen Q 510 und Q 511 leitend sein, um die Primär- Wicklungen der Treibertransformatoren kurzzuschliessen oder kurzgeschlossen zu halten. Logisch "H" an einem Ausgang des Pulsweitenmodulators öffnet den ihm zugeordneten Leistungsschalter der Brücke (Q 510 oder Q 511 ). Über das "0R" Gatter IC 516 löst die steigende Flanke an einem der Ausgänge des Pulsweitenmodulators einen Impuls mit definierter Zeitdauer aus. Im "AND" Gatter IC 517 erfolgt die Verknüpfung mit dem Signal des Puls Weitennmodulators. Die Pulsweite am Ausgang des Triggergenerators ist niemals länger als die kleinste Pulsweite des Pulsweiten¬ modulators, obwohl ein Impuls für die Einschaltübersteuerung mit definierter Zeitdauer erzeugt wurde. Diese schal tungs technische Massnahme ist für das dynamische Übergangsverhalten der Leistungsschalter in der Teilerkaskade von entscheidender Bedeutung.With logic "L" at the outputs of the pulse width modulator, Q 510 and Q 511 must be conductive to short-circuit or keep short-circuited the primary windings of the driver transformers. Logical "H" at an output of the pulse width modulator opens the bridge circuit breaker assigned to it (Q 510 or Q 511). The rising edge at one of the outputs of the pulse width modulator triggers a pulse with a defined duration via the "0R" gate IC 516. The "AND" gate IC 517 is linked to the signal of the pulse width modulator. The pulse width at the output of the trigger generator is never longer than the smallest pulse width of the pulse width modulator, although a pulse was generated for the switch-on override with a defined period of time. This circuit-technical measure is of crucial importance for the dynamic transition behavior of the circuit breakers in the cascade of dividers.
Zur Verkürzung der Schaltzeiten bei den Schaltern Q 518 und Q 519 wird das jeweilige Gate über eine geschaltete Konstantstromquelle mit Einschaltübersteuerung beim Einschalten und einem Kurzschluss beim Ausschalten betrie¬ ben. Das Ausführungsbeispiel wird anhand von Q 518 beschrieben und gilt sinngemäss auch für Q 519. Q 527, D 532, D 533 und R 522 bilden eine Konstantstromquelle, die durch "H" am Ausgang von IC 517c aktiviert wird. Im Einschaltvorgang wird der Strom durch den Spannungsverlauf an C 511 bestimmt, was ein optimales Schaltverhalten von Q 518 bewirkt. Durch das komplimentäre Steuersignal zu Q 527 wird der Kurzschluss am Gate von Q 518, bewirkt durch Q 522 und α 526 zeitgleich aufgehoben.To shorten the switching times for switches Q 518 and Q 519, the respective gate is operated via a switched constant current source with switch-on override when switching on and a short circuit when switching off. The exemplary embodiment is described with reference to Q 518 and also applies analogously to Q 519. Q 527, D 532, D 533 and R 522 form a constant current source which is activated by "H" at the output of IC 517c. During the switch-on process, the current is determined by the voltage curve at C 511, which results in an optimal switching behavior of Q 518. The short circuit at the gate of Q 518, caused by Q 522 and α 526, is canceled simultaneously by the complementary control signal to Q 527.
Die gleichen Betriebsabläufe gelten sinngemäss in der anderen Diagonale des Triggergenerators. Block β; 9; 10; 1 1; 12.The same operating procedures apply analogously in the other diagonal of the trigger generator. Block β; 9; 10; 1 1; 12th
Pulsweitenmodulator; Spannungsregler; Stromreqler Primärstrom; StromreqlerPulse width modulator; Voltage regulator; Current controller primary current; Current controller
Ausqanqsstrom.Ausqanqsstrom.
Aufgrund der komplexen Wechselwirkungen zwischen den Blöcken 6, 9, 10, 11 und 12 in Fig. 1 wurde die Beschrei- bung dieser Blöcke zusammengefasst. Die detaillierte Darstellung als Stromlaufplan ist in Fig. 6 dargestellt.Because of the complex interactions between blocks 6, 9, 10, 11 and 12 in FIG. 1, the description of these blocks has been summarized. The detailed representation as a circuit diagram is shown in FIG. 6.
Pulsweitenmodulatoren nach Stand der Technik erfüllen in mehrfacher Hinsicht nicht die harten Anforderungen der Vorrichtung für Hochspannungsumformung. Bei integrierten Schaltkreisen kann erst durch Auslagerung bestimmter Funktionen, Veränderung der spezifischen Charakteristik und Verknüpfung mit zusätzlichen, externen Schaltkreisen der Einsatz im erfindungsmässigen System erzielt werden. Der grosse Dynamikbereich der Eingaπgsspannung und des Ausgangsstromes in Verbindung mit zwei unterschied¬ lichen Regelcharakteristiken stellt sehr hohe Anforderungen an die Stabilität der Regelung. Der Pulsweitenmodulator hat die Aufgabe, einen oder mehrere Analogwerte mit einer vorgegebenen Priorität in Pulsweiten in einem definierten Zeitramen umzusetzen. Erhebliche Schwierigkeiten verursacht der immer wiederkeh¬ rende Kompromiss zwischen Integration der Analogwerte als Stabilitätsfaktor für die Regelung und kurze Regel* zeiten bei auftretenden Sprungfunktionen im System. Ausserdem verursachen bereits kleine Veränderungen der Pulsweite grosse Abweichungen in den Ausgangswerten des Systems. Die hohen Anforderungen an die Regelung können durch einen Regelkreis nicht gelöst werden. Die Lösung der Problematik einer stabilen Arbeitsweise des Energieumformungssystemes in der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Hochspannungsumformung besteht in der: - Dezentralen Erfassung von Störgrössen an neuralgischen Punkten der Energieumformungsstrecke.State-of-the-art pulse width modulators do not meet the tough requirements of the device for high-voltage conversion in several respects. In the case of integrated circuits, use in the system according to the invention can only be achieved by outsourcing certain functions, changing the specific characteristics and linking them to additional, external circuits. The large dynamic range of the input voltage and the output current in connection with two different control characteristics places very high demands on the stability of the control. The pulse width modulator has the task of converting one or more analog values with a predetermined priority into pulse widths in a defined time frame. The recurring compromise between integrating the analog values as a stability factor for the control and short control times in the event of step functions occurring in the system causes considerable difficulties. In addition, even small changes in the pulse width cause large deviations in the initial values of the system. The high demands on the control cannot be solved by a control loop. The solution to the problem of stable operation of the energy conversion system in the device for high-voltage conversion according to the invention consists in: Decentralized detection of disturbance variables at critical points on the energy conversion path.
- Aufspaltung einer Regelfunktioπ auf zwei Regelkreise mit unterschiedlichen Regelzeitkonstanten.- Splitting a control function on two control loops with different control time constants.
- Gestaltung der Prioritätskriterien für die Störgrössen.- Design of the priority criteria for the disturbance variables.
- Vernetzung der einzelnen Störgrössen innerhalb der Energieumformungsstrecke.- Networking of the individual disturbance variables within the energy conversion path.
- Steigerung der Empfindlichkeit in den Komparationspunkten. Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Hochspannungsumformung kann nicht mehr auf einem Regelkreis aufbauen, sondern es stellt bereits ein relativ einfaches kybernetisches System dar.- Increase in sensitivity in the comparison points. The device according to the invention for high-voltage conversion can no longer be based on a control loop, but it already represents a relatively simple cybernetic system.
Die dominante Regelcharakteristik des Systemes ist die Konstantspannung. Bei Überschreiten des vorgewählten maximalen Stromwertes muss das System kontinuierlich in die Regelcharakteristik des Konstaπtstromes übergehen. Selbst in der Betriebsart "Konstantspannung" wird ein Anteil der schnellen Stromregelung des Primärstromes der Spannungsregelung unterlagert, um grossere Unterschiede in der Stromamplitude zwischen zwei aufeinanderfolgen den Impulsen zu verhindern.The dominant control characteristic of the system is the constant voltage. If the preselected maximum current value is exceeded, the system must continuously change to the control characteristic of the constant current. Even in the "constant voltage" operating mode, a portion of the rapid current control of the primary current is subordinated to the voltage control in order to prevent larger differences in the current amplitude between two successive pulses.
In allen Betriebszuständen die im Verfahren auftreten können, besteht keine direkte funktioπelle Abhängigkeit zwischen Ausgangsstrom und Primärstrom durch die Wicklungen des Transf ormatorsystemes Block 2 Fig. 1. Die Überwachung und Begrenzung des Primärstrαmes ist Voraussetzung für einen sicheren Betrieb des Systems. Die Funktion der Stromregelung wird in zwei Teilfunktionen Primärstromregelung und Ausgangsstromregelung mit getrennter "Ist-Wert"* Erfassung aufgesplittet. Die Regelgrössen werden in getrennten Regelsystemen mit verschie¬ den Regelzeit-konstanteπ verarbeitet und an verschiedenen Stellen ins Gesamtsystem eingespeist. Eine Voraussetzung für die Stabilität der Regelung ist eine nur sehr kleine Abweichung von zwei aufeinanderfolgen den Pulsweiten zur Ansteuerung der Leistungsschalter in der Halbrücken innerhalb der Teilerkaskade. Das vom Hersteller "UNITRODE" von integrierten Schaltkreisen zur Puisweitenmodulation propagierte Verfahren der "PULS BY PULS CURRENT* REGULATION" für Inverter, wird von ihm selbst für Halbbrücken als ungeeignet bezeichnet.In all operating states that can occur in the process, there is no direct functional dependency between output current and primary current through the windings of the transformer system block 2, FIG. 1. Monitoring and limiting the primary current is a prerequisite for safe system operation. The function of the current control is split into two subfunctions primary current control and output current control with separate "actual value" * acquisition. The control variables are processed in separate control systems with different control time constants and are fed into the overall system at different points. A prerequisite for the stability of the control is a very small deviation of two successive pulse widths for controlling the circuit breakers in the half-bridges within the divider cascade. The method "PULS BY PULS CURRENT * REGULATION" for inverters, which the manufacturer "UNITRODE" propagates from integrated circuits for pu width modulation, is considered unsuitable even for half-bridges.
Obwohl bei dieser Anwendung nicht eine Halbbrücke sondern eine Kaskade von Halbbrücken eingesetzt wird, kann diese Regelungsart aufgrund der erfindungsgemässen Ausgestaltung der Peripherie dieses Bausteines, erfolgreich eingesetzt werden. Bei der Realisierung des Pulsbreitenmodulators wird auf dem Stand der Technik, wie er in einem integrierten Baustein UC 1846 der Firma Unitrode marktüblich ist, aufgebaut.Although not a half-bridge but a cascade of half-bridges is used in this application, this type of control can be used successfully due to the design of the periphery of this module according to the invention. When implementing the pulse width modulator, the state of the art is used, as is customary in the market in an integrated module UC 1846 from Unitrode.
Die anschliessende Funktionsbeschreibung bezieht sich auf den in Fig. 6 dargestellten Stromlaufplan. Die Oszillatorfunktion des Bausteines muss aus Stabilitätsgründen und Gründen weiterer Ableitungen aus diesem Signal aus dem Baustein herausgenommen werden. Die Taktfrequenz wird durch die externe Beschaltung von IC 611, die Pausenzeit durch die externe Beschaltung von IC 612 bestimmt Über den Emitterfolger Q 610 wird IC 610 mit einer externen Frequenz betrieben.The subsequent functional description relates to the circuit diagram shown in FIG. 6. The oscillator function of the block must be removed from the block for reasons of stability and for further derivations from this signal. The clock frequency is determined by the external circuitry of IC 611, the pause time by the external circuitry of IC 612. IC 610 is operated with an external frequency via emitter follower Q 610.
Der externen Beschaltung des Spannungsreglers "EfA" im IC 610 nach Angaben des Herstellers, wird zusätzlich eine Sägezahπfunktion über R 1212 dem "Istwert" der Ausgangsspannung aufgeschaltet. Beim normalen Vergleich zwis chen dem Betrag der Referenzspannung und dem Betrag der Ausgangsspannung entsteht ein grosses zeitliches Toleranzfeld, weil der Schnittpunkt zweier fast parallelen Linien ermittelt wird. Obwohl der "Ist-Wert" durch Auf Schaltung einer sägezahnförmigen Wechselspannung verfälscht wird, ist der Absolutbetrag der Ausgangspannung im eingeschwungenen Zustand erheblich präziser als ohne diese Massnahme. Ausserdem ist die Neigung zum Jittern, die durch den Undefinierten Schnittpunkt zweier fast parallelen Linien entsteht, behoben.The external wiring of the voltage regulator "EfA" in the IC 610 according to the manufacturer, an additional sawtooth function is connected to the "actual value" of the output voltage via R 1212. In the normal comparison between the amount of the reference voltage and the amount of the output voltage, a large temporal tolerance field arises because the intersection of two almost parallel lines is determined. Although the "actual value" is falsified by switching a sawtooth AC voltage, the absolute value of the output voltage in the steady state is considerably more precise than without this measure. In addition, the tendency to jitter caused by the undefined intersection of two almost parallel lines has been eliminated.
Die Sägezahnfunktion entsteht an C 613 als Integral des Spanπungszustandes am Kompiementärausgang von IC 612 der von der Oszillatorfrequenz gesteuert wird. Der nachfolgende Emitterfolger Q 611 entkoppelt den Sägezahngene rator von den Impedanzen der nachfolgenden Netzwerke und verhindert Rückwirkungen.The sawtooth function arises at C 613 as an integral of the voltage state at the complementary output of IC 612, which is controlled by the oscillator frequency. The subsequent emitter follower Q 611 decouples the sawtooth generator from the impedances of the subsequent networks and prevents repercussions.
Der Grundgedanke IC Herstellers, die Puisweitenmodulation nicht durch den Vergleich des Ausgangswertes mit einem festen Komparationswert zu erzeugen, sondern durch Vergleich mit der rampenförmigen Funktion des Primär¬ stromes durch einen Transformator, ist vom Ansatz gut, stösst in der Praxis bereits beim Betrieb von einem In¬ verter schon auf erhebliche Schwierigkeiten. 1. Der Neigungswinkel der Rampe ist von mehreren Faktoren abhängig.The basic idea of the IC manufacturer to generate the pulse width modulation not by comparing the output value with a fixed comparative value, but by comparing it with the ramp-shaped function of the primary current through a transformer, is good from the approach and, in practice, already comes up when operating an IN ¬ verter already on considerable difficulties. 1. The angle of inclination of the ramp depends on several factors.
2. Die Einschaltübersteuerung löst bereits wegen der höheren Amplitude als dem Endbetrag der Rampe eine Fehl funktion aus. Durch die erfindungsgemässe Verknüpfung von drei Massnahmen wird der Grundgedanke des IC Herstellers für den Anwendungsfall der Hochspannungsumformung mit gehobenen Ansprüchen eiπsetzbar. Die Massnahmen sind:2. The switch-on override triggers a malfunction because of the higher amplitude than the final amount of the ramp. By combining three measures according to the invention, the basic idea of the IC manufacturer can be used for the application of high-voltage conversion with high demands. The measures are:
1. Integration der gleichgerichteten Wechseispannuπgen.1. Integration of the rectified alternating voltages.
Fig. 1 Block 8a bis 8n. Die Spannungen sind proportional dem Stromfluss durch die Pri- märwicklungen des Leistungstransformator, Fig. 1 , Block 2. Integrationsglied: R 1019, C 1013.Fig. 1 block 8a to 8n. The voltages are proportional to the current flow through the pri- märwicklungen the power transformer, Fig. 1, block 2. Integrator: R 1019, C 1013.
2. Verknüpfung des integrierten Strombetrages mit einer rampenförmigen Wechselspannung, die von der Oszillatorfrequenz abgeleitet ist. Verknüpfung von Transformatorstrom über R 1019 mit Sägezahnfunktion an Q 611 über R 1052 und R 1021 am nichtinvertierenden Eingang C/S ; X3 von IC 610.2. Linking the integrated amount of current with a ramp-shaped AC voltage, which is derived from the oscillator frequency. Linking of transformer current via R 1019 with sawtooth function at Q 611 via R 1052 and R 1021 at the non-inverting input C / S; X3 from IC 610.
3. Entladung der Intergrationskapazhät während der Pausenzeit, zur Schaffung konstanter Anfangsbedingungen bei aufeinanderfolgenden Pulsen.3. Discharge of the integration capacity during the pause, to create constant initial conditions for successive pulses.
Entladung von C 1013 durch Q 1010. Diese sehr schnelle Stromreglung gestattet eine Strombegrenzung während der Startphase und schnellen Änderun¬ gen der Eingangsspannung. Während derartiger Einschwingzustände müssen die Sieb- und Filterkapazitäten geladen werden. Diese komplexen Lasten verursachen hohe Stromspitzen, die von der Last unabhängig sind. Eine Ausgangsstromregelung unabhängig von der Eingangsspannung ist nur durch einen Stromsensor im Aus¬ gangsstromkreis ausserhalb der Filter- Kreisströme möglich. Der Spannungsabfall an einem Shuntwiderstand von 1 mOhm im Minus- Pfad des Ausgangsstromes (Fig. 4, R 410) wird durch den IC 1010 vorverstärkt und dem Strom¬ regler IC 1011 zugeführt. Bis zum Einsatzpunkt der Stromregelung ist dieser Zweig ohne Einf luss. Beim Überschreiten des durch R 1015 einstellbaren Sollwertes erfolgt eine der Zeitdauer der Überschreitung propor¬ tionale Entladung von C 615 durch Q 612. Es handelt sich um eine Integration der Ausgangswerte von IC 1011. Die Kurzschlusströme im Ausgang werden durch eine unterschiedliche Wahl der Integrationszeitkonstanten auf die Entladung der Filterkapazitäten beschränkt Die Zeitkonstante für die Abwärtsintegration wird durch den Entlade* ström durch 0. 612 bestimmt, die Aufwärtsintegration durch Zeitkonstante von R 617 und C 615. Der Gleichspannungspegel an C 615 an Pin 1 von IC 610 eingeschleift, ist eine Begrenzung für den Spannungshub des Regelvertsärkers EfA in IC 610. Je niedriger die Spannung am Verstärker EfA um so kleiner die Pulsweite und damit die Ausgangsspannung. Die Stromregelung des Ausgangsstromes erfolgt indirekt über die Regelung der Aus gangsspannung.Discharge of C 1013 by Q 1010. This very fast current regulation allows current limitation during the start phase and rapid changes in the input voltage. The sieve and filter capacities have to be loaded during such settling conditions. These complex loads cause high current peaks that are independent of the load. An output current control independent of the input voltage is only possible through a current sensor in the output circuit outside the filter circuit currents. The voltage drop across a shunt resistor of 1 mOhm in the minus path of the output current (FIG. 4, R 410) is preamplified by the IC 1010 and supplied to the current regulator IC 1011. This branch has no influence until the point of use of the current control. When the setpoint that can be set by R 1015 is exceeded, a discharge of C 615 by Q 612 proportional to the duration of the exceeding takes place. The output values of IC 1011 are integrated. The short-circuit currents in the output are reduced to that by a different choice of the integration time constant Discharge of filter capacities limited The time constant for the downward integration is determined by the discharge * current through 0. 612, the upward integration through time constant of R 617 and C 615. The DC voltage level at C 615 looped in at pin 1 of IC 610 is a limitation for the Voltage swing of the control amplifier EfA in IC 610. The lower the voltage at the amplifier EfA, the smaller the pulse width and thus the output voltage. The current control of the output current takes place indirectly via the regulation of the output voltage.
Durch diesen Hilfskreis wird die schnelle Regeldynamik der Ausgangsspannungsregelung während der Startphase erheblich herabgesetzt, wodurch ein "Soft* Start" erzielt wird.This auxiliary circuit considerably reduces the fast control dynamics of the output voltage control during the start phase, which results in a "soft * start".
Kritische Betriebzustände, wie rasch aufeinanderfolgende Abschaltungen und Wiedereinschaltuπgen der Eingangs¬ spannung, werden durch Übergang aus der schnellen Spannungsregelung in eine langsame Spannungssteuerung mit vorwählbarer Zeitkoπstante erheblich entschärft. Diese kritischen Betriebszustände entstehen bei schlechtem Kontakt zwischen Oberleitung und Stromabnehmer der Lokomotive bei vereisten Oberleitungen und können für längere Zeiträume auftreten. Die Eigendynamik der Spannungsverläufe im Hochspannungskreis als Folge von Licht¬ bögen und Auswirkungen auf das Hochspannungsumformungs- System wird erst durch die erfindungsgemässe Vorrichtung beherrschbar und Einsätze des Systemes unter derartigen Extrembedingungen erst ermöglicht. Sie Sicherungs- und Überwachungsschaltungen der Blöcke 710a in Verbindung mit 710b bis 7π0a in Verbindung mit 7n0b in Fig. 1 als Blockdarstellung und Fig. 3 als Stromlaufplan greifen über eine Aufbereitungselektronik ebenfalls am Pin 1 von IC 610 in die Regelung ein. Nur im Zustand "H" aller Spannungswächter der Kaskade und bei Anliegen einer Hilfspanπung für die Elektronik von mindestens 19V an den Eingängen eines "NAND Schmitt* Triggers" IC 911 wird Q 911 gesperrt. Gleichzeitig wird über IC 910 der Transistor Q 910 angesteuert. Q 910 betätigt das Relais 910, das seinerseits den Kurzschluss aller Primärwicklungen der Treibertransformatoren Tr. 111 bis Tr. n11 (Fig. 3) in der Teilerkaskade Block 1 Fig. 1, aufhebt. Die Sperre von Q 911 bewirkt eine Aufladung von C 910. Der Spannungszustand an C 910 wird über einen Emitterfolge Q 912 und einen nachgeschalteten "NAND- Schmitt- Trigger" überwacht. Solange die Spannung an C 910 die Schaltschwelle von IC 912 nicht überschritten hat, wird durch Zustand "H" am Ausgang von IC 912 der Pulsbreitenmodulator IC 610 gesperrt. Diese zusätzliche Zeitkonstante soll das System während der Einschwingvorgänge bei Kontaktierung der Oberleitung durch den Stromabnehmer, gesperrt halten. Es handelt sich um eine weiter Massnahme zur Erhöhung der Betriebs¬ sicherheit. Die Wirksamkeit des bisher beschrieben Verfahrens ist anhand von Messungen dynamischer Betriebszustände bewiesen.Critical operating states, such as rapid successive shutdowns and reclosing of the input voltage, are considerably alleviated by the transition from rapid voltage regulation to slow voltage control with a preselectable time constant. These critical operating conditions arise when there is poor contact between the overhead line and the pantograph of the locomotive on icy overhead lines and can occur for long periods. The inherent dynamics of the voltage profiles in the high-voltage circuit as a result of arcing and effects on the high-voltage conversion system can only be mastered by the device according to the invention, and use of the system under such extreme conditions is only possible. The fuse and monitoring circuits of blocks 710a in conjunction with 710b to 7π0a in conjunction with 7n0b in FIG. 1 as a block diagram and FIG. 3 as a circuit diagram also intervene in the control system at pin 1 of IC 610 via processing electronics. Q 911 is only blocked in the "H" state of all voltage monitors in the cascade and when an auxiliary voltage for the electronics of at least 19V is present at the inputs of a "NAND Schmitt * Trigger" IC 911. At the same time, transistor Q 910 is driven via IC 910. Q 910 actuates relay 910, which in turn short-circuits all primary windings of driver transformers Tr. 111 to Tr. n11 (FIG. 3) in the divider cascade block 1 FIG. 1. The blocking of Q 911 causes a charging of C 910. The voltage state at C 910 is monitored via an emitter sequence Q 912 and a "NAND-Schmitt trigger" connected downstream. As long as the voltage at C 910 has not exceeded the switching threshold of IC 912, the pulse width modulator IC 610 is blocked by state "H" at the output of IC 912. The system is supposed to keep this additional time constant locked during the transient processes when the pantograph contacts the overhead line. It is a further measure to increase operational safety. The effectiveness of the method described so far has been proven on the basis of measurements of dynamic operating states.
Es wurde der Spannungsverlauf am Eingang des Filters unter tatsächlichen Betriebsbedingungen in einer Elektro¬ lokomotive untersucht. In Fig. 7a ist der Ausdruck der folgenden Messung dargestellt. Mit einem 4 Kanal Speicheroszilloscope wurde über einen Hochspannuπgsteiler 100:1 mit einem nachgeschalteten Tastkopf 10:1 der Spanπungsverlauf am Filtereingang bei Betätigung des Hauptschalters gemessen. Kurvenveriauf 1. Auf dem Kanal 4 wurde der Stromverlauf der Strommesstransformatoren der Teilerkaskade dargestellt. Die auto¬ matische Triggerung für einen "Single shot" erfolgte bei Überschreitung eines Spannungspegels von 3,75kV. Die Gleichspannung auf der Oberleitung betrug 3,08 kV. Der Laststrom des Systemes betrug 75A. Unmittelbar nach Betätigung des Hauptschalters ist eine Oszillation mit einer Amplitude von ca. 3 kV und einer Frequenz von ca. 320Hz zu erkennen. Dabei wird ein Maximalwert von 4,875 kV gemessen. Auf der Abbildung des Stromverlaufes von Kanal 4 ist deutlich die Einschaltverzögerung von 20msec und ein sanfter Stromanstieg zu erkennen. Da es sich um eine digitale Messwertaufbereitung handelt, der Zeitmasstab 20msec|Div beträgt, die Frequenz des Stromes jedoch 40kHz beträgt, ist der Amplitudenverlauf falsch. Nur die Hüllkurve des Stromverlaufes ist messtechnisch verwertbar. ln Fig. 7b wurden die dynamischen Spannungsvorgänge während des Vorganges einer Unterbrechung der Span- πuπgszuführuπg durch Absenkung des Stromabnehmers von der Oberleitung gemessen und messtechnisch festgehal¬ ten. Es wird somit das Verhalten des Systems während eines Lichtbogens im Eingangskreis untersucht. Der Einsatz des Lichtbogens ist durch die Stellung des "Start-Marker" sichtbar gemacht. Der Trigger war ebenfalls für einen "Single shot" bei Überschreitung eines Spannnungspegels von 3,75 kV eingestellt Ein schwingen der Eingaπgsspannung zwischen 3,75kV und 1,6kV für einen Zeitraum von 60msec ist hier festgehalten. Die Aπtwort- funktion des Systemes ist der Hüllkurve der Primärstromes deutlich zu entnehmen. Während eines Spannungsabfal¬ les auf einen Betrag von 1,6kV nach ca. 35 msec fällt der Strom fast auf Null ab, steigt beim Anstieg der Hoch¬ spannung wieder auf seinen vorherigen Wert. Dabei ist zu beachten, dass der dominante Lastwiderstand Bleiak- kumulatoren sind, die eine nichtlineare Strom Spannungs- Abhängigkeit haben.The voltage curve at the input of the filter was examined in an electric locomotive under actual operating conditions. The expression of the following measurement is shown in FIG. 7a. With a 4-channel storage oscilloscope, the voltage curve at the filter input was measured when the main switch was actuated, using a high-voltage divider 100: 1 with a downstream probe 10: 1. Curve curve 1. The current profile of the current measuring transformers of the divider cascade was shown on channel 4. The automatic triggering for a "single shot" took place when a voltage level of 3.75 kV was exceeded. The DC voltage on the overhead line was 3.08 kV. The system load current was 75A. Immediately after the main switch is actuated, an oscillation with an amplitude of approx. 3 kV and a frequency of approx. 320 Hz can be seen. A maximum value of 4.875 kV is measured. The switch-on delay of 20msec and a gentle current increase can be clearly seen in the illustration of the current profile of channel 4. Since the measurement is digital, the time scale is 20msec | Div, but the frequency of the current is 40kHz, the amplitude curve is incorrect. Only the envelope curve of the current curve can be used for measurement purposes. 7b, the dynamic voltage processes during the process of interrupting the voltage supply by lowering the pantograph from the overhead line were measured and recorded. The behavior of the system during an arc in the input circuit is thus examined. The use of the arc is made visible by the position of the "start marker". The trigger was also set for a "single shot" when a voltage level of 3.75 kV was exceeded. A swinging of the input voltage between 3.75 kV and 1.6 kV for a period of 60 msec is recorded here. The response function of the system can be clearly seen from the envelope of the primary current. During a voltage drop to an amount of 1.6 kV after approx. 35 msec, the current drops almost to zero, rises again to its previous value when the high voltage rises. It should be noted that the dominant load resistance is lead accumulators, which have a non-linear current-voltage dependency.
Bei Absinken der Eingangsspannung nach 6omsec. unter 1,5kV ist sofort die deutliche Sperre des Systems durch Ansprechen der Spannungswächter zu erkennen. Obwohl die Eingangsspanπung wegen der Ladung der Kαndensa- toren im Eingangsfilter nur langsam absinkt, ist der Transformatorstrom gleich Null.If the input voltage drops after 6omsec. below 1.5 kV, the clear blocking of the system can be recognized immediately by responding to the voltage monitor. Although the input voltage due to the charge of the gates in the input filter only slowly sinks, the transformer current is zero.
Die Messungen beweisen eindeutig, dass das technische Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Hochspannungsumformung selbst extrem kritische Betriebszustände störungsfrei zu verarbeiten vermag. Die Richtigkeit der theoretischen Ausführungen und Schaltungsbβschreibung wird anhand einer weiteren Messung inThe measurements clearly prove that the technical exemplary embodiment of the device for high-voltage conversion according to the invention can process even extremely critical operating states without problems. The accuracy of the theoretical explanations and circuit description is based on a further measurement in
Fig 8 bewiesen. Auf Kanal 4 wird der gleichgerichtete Primärstrom durch den Leistungstransformator nach der Potentialtrennung durch die Stromwandler dargestellt. Die Frequenz beträgt 40kHz, die Spitzenamplitude am Ende der Periode beträgt 15.6A. Durch eine zugeschaltete Last, die Impulserregung für die Hauptbremse der Lokomotive ist das System in den Konstant* Strom* Modus übergegangen (97,5A). Der Stromverlauf zeigt deutlich die vorrichtungsbedingte "Einschattübersteuerung", die exakte "PULS by PULS" Strom* Regelung und die Frequenzstabilität.Fig 8 proved. The rectified primary current through the power transformer is shown on channel 4 after the potential separation by the current transformers. The frequency is 40kHz, the peak amplitude at the end of the period is 15.6A. Due to a connected load, the pulse excitation for the main brake of the locomotive, the system has switched to constant * current * mode (97.5A). The current curve clearly shows the device-related "shading override", the exact "PULS by PULS" current * control and the frequency stability.
x* * * x * * *

Claims

Patentansprüche claims
1 . Vorrichtung zur Hochspannungsumformung durch Kaskadierung in der die Hochspannung in Form von1 . Device for high voltage conversion by cascading in which the high voltage in the form of
Gleich- oder gleichgerichteter Wechselspaπnung in einem verlustarmen Leistungs- Spannungsteiler (Fig.1.1.) in allen Betriebszuständen zeitsynchron in gleiche Teilspannungsbeträge erzwungen aufgeteilt wird, wobei jeder Leistungsspannungsteiler wahlweise aus einer Anordung von Leistungsschaltern in Brückenkon¬ figuration mit Parallelschaltung eines oder mehrerer Kondensatoren und einem ohmschem Widerstand oder in Halbbrückenkonfiguration (Fig.3.) mit Parallelschaltung von zwei Kondensatoren in Serienschaltung mit parallelen ohmschem Widertänden besteht, in der Diagonale der jeweiligen Leistungschalteranordnung sich die Primärwicklung eines Teiltransformatorsystemes befindet und die Vorrichtung folgende Merkmale auf¬ weist:The same or rectified alternating voltage in a low-loss power voltage divider (Fig.1.1.) Is forced to be synchronized in all operating states into equal partial voltage amounts, each power voltage divider optionally consisting of an arrangement of circuit breakers in a bridge configuration with parallel connection of one or more capacitors and an ohmic one Resistor or in half-bridge configuration (Fig. 3) with parallel connection of two capacitors in series connection with parallel ohmic resistances, in the diagonal of the respective circuit breaker arrangement is the primary winding of a partial transformer system and the device has the following features:
Ausführung des Leistungs- Transformators (Fig. 1.2.; Fig. 13; Fig. 14.) mit dominanter Ener- gieübertragung direkt zwischen den Wicklungen in Kassettenbauweise zur isolierten Kapselung derDesign of the power transformer (Fig. 1.2 .; Fig. 13; Fig. 14.) with dominant energy transfer directly between the windings in cassette design for the isolated encapsulation of the
Wicklung, der seinerseits aus einer dem Teilerverhälntnis entsprechenden Anzahl von in sich geschlossener, gleichförmiger Teiltransformatorsysteme mit mindestens je einer stromzuführenden Primärwicklung und beidseitig angrenzender stromabführender Sekundärwicklung gebildet wird und alle Teiltransformatorsysteme auf einem gemeinsamen Kern mit geringfügigem Energieübertragungs- anteil montiert sind und die Teiltransformatorsysteme die komplexe Leistungs- Widerstands-Winding, which in turn is made up of a number of self-contained, uniform partial transformer systems with at least one primary winding to be supplied and adjacent current-carrying secondary winding, which corresponds to the division ratio, and all partial transformer systems are mounted on a common core with a small amount of energy transfer, and the partial transformer systems have the complex power - resistance
Komponente der Teilerstufe, den transformierten Anteil des Lastwiderstandes mit den Komplexanteilen des Ausgangs-filters der Vorrichtung darstellen.Component of the divider stage, the transformed part of the load resistance with the complex parts of the output filter of the device.
Ansteuerung der zugehörigen, elektronischen Leistungsschalter innerhalb der Teilerkaskade, inControl of the associated electronic circuit breakers within the divider cascade, in
Brücken- oder Halbbrückenkonfiguration, zur Erzeugung einer pulsweitenmodulierten, mittelfre- quenten Wechselspannung über je einen der zugehörigen Teilerkaskade zugeordneten Treiber¬ transformatoren mit gleichem Übertragungsverhalten, mit einer zeitsynchronen, zeitlich definierten Übersteuerung des Einschaltvorganges jeder Halbperiode aus einem gemeinsamen Triggergenerator mit fünf möglichen Betriebszuständen {Fig. 1.5; Fig.5.) und Verknüpfung mit den über Strom transf or matoren mit gleichem Übertragungsverhalten, aus der Teilerkaskade potentialfrei transformierten jeweiligen Lastströmen bei gleichzeitigem Betrieb der Leistuπgsschalter im "Quasi- Sättigungs¬ bereich", wobei die elektronischen Leistungsschalter die ansteuerungsabhängigen Leistungswider stände der Teilerkaskade darstellen, deren zeitsynchroπe Augenblickswerte der Widerstände innerhalb der Kaskade durch externe Beschaltung erzwungen werden. Abschaltung alier zugehörigen elektronischen Leistungsschalter innerhalb der Teilerkaskade durch gleichzeitige Unterbrechung des Treiberstromes aus dem Triggergenerator, erzwungenes, zeit¬ synchrones Kurzschliessen aller transformierten Lastströme an den parallelgeschalteten Primär¬ wicklungen der Treibertransformatoreπ in jeder Halbperiode durch den Triggergenerator mit gleichzeitiger Entlastung der Leistungsschalter durch ein parallel geschaltetes Entlastungsnetzwerk.Bridge or half-bridge configuration, for generating a pulse-width-modulated, medium-frequency AC voltage via driver transformers, each assigned to the associated divider cascade, with the same transmission behavior, with a time-synchronized, time-defined override of the switch-on process of each half-cycle from a common trigger generator with five possible operating states {Fig. 1.5; Fig. 5) and linkage with the current transformers with the same transmission behavior, from the divider cascade potential-free transformed respective load currents with simultaneous operation of the power switches in the "quasi-saturation range", the electronic power switches representing the control-dependent power resistances of the divider cascade , whose time-synchronized instantaneous values of the resistors within the cascade are forced by external wiring. Shutdown of all associated electronic circuit breakers within the divider cascade due to simultaneous interruption of the driver current from the trigger generator, forced, time-synchronous short-circuiting of all transformed load currents on the primary windings of the driver transformers connected in parallel in every half period by the trigger generator with simultaneous relief of the circuit breakers by a parallel connected relief network .
Schutz der Leistungsschalter innerhalb der Teilerkaskade vor unzulässigen Spannungs- und Strom- Anstiegsgeschwindigkeiten durch Serienschaltung der Kaskade mit einem Filter (Fig.1.3.), dessen Serieninduktivität in Kassetten-bauweise ausgestaltet istProtection of the circuit breakers within the divider cascade against impermissible voltage and current rise rates by connecting the cascade in series with a filter (Fig.1.3.), The series inductance of which is designed in a cassette design
Schutz externer Verbraucher vor Folgen eines Hochspannungs-überschlages durch schnellen Überspannungsschutz mit Auswerte- Elektronik und "Restart" (Fig. 4.) des Systemes beiProtection of external consumers from the consequences of a high voltage flashover thanks to fast overvoltage protection with evaluation electronics and "restart" (Fig. 4.) of the system
Fehlauslösung.False triggering.
Symmetrierung des Stromverlaufes durch alle Primär-wicklungen des Leistungstransformators mitSymmetry of the current profile through all primary windings of the power transformer
Hilfe der Erfassung aller Teilströme durch die Primärwicklungen des Leistungstransformators über Strommess- Transformatoren mit gleichem Übertragungsverhalten, Verknüpfung der Augen- blickswerte der Primärströme, Auswertung und Verarbeitung in einer nachgeschalteten "Puls byWith the help of recording all partial currents through the primary windings of the power transformer via current measuring transformers with the same transmission behavior, linking the instantaneous values of the primary currents, evaluation and processing in a downstream "pulse by
Puls" Stromregelung (Fig.3.; Fig. 6) und Umsetzung in ein pulsweitenmoduliertes Signal für den nachgeschalteten Triggergenerator.Pulse "current control (Fig.3 .; Fig. 6) and conversion into a pulse width modulated signal for the downstream trigger generator.
Ueberwachung des Minimal- Maximalspannungsbereiches an jedem Teiler der Kaskade mit einerMonitoring the minimum-maximum voltage range on each divider of the cascade with one
Überwachungselektronik (Fig.1.7.; Fig.3.) mit potentialfrei übertragenem Sperrsigπal für die gesamte Vorrichtung beim Überschreiten des Kennfeldes von nur einem Teiler innerhalb der Kaskade (Fig.6.).Monitoring electronics (Fig.1.7 .; Fig.3.) With potential-free transmitted locking signal for the entire device when exceeding the map of only one divider within the cascade (Fig.6.).
2 . Vorrichtung zur Hochspannnungsumformung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Wicklungen der Jeweiligen Kassetten des Leistungs- Transformators als scheibenförmigen Wicklungen aus Kupferiack isoliertem Draht oder spiralförmig geschnittenen Kupferplatten ausgestaltet sind, die beidseitig mit gegenläufigem Wicklungssinn in einer Trägerplatte (Fig. 10; Fig. 11; Fig. 12) aus Isolierwerkstoff mit Innen- und Aussenstegen aus Isolier-werkstoff eingebettet und in ihrer Lage mechanisch fixiert sind, wobei der Mindestabstand der Wicklungen zu Innen- und Aussenstegen des Kernes aus weichmagnetischem Werk¬ stoff durch Kunststoffstege, der Abstand zwischen Primär- und Sekundär wicklungen durch Platten aus Isolierwerkstoffen, festgelegt wird.2nd Device for high-voltage conversion according to claim 1, characterized in that the two windings of the respective cassettes of the power transformer are designed as disk-shaped windings made of copper wire, insulated wire or spirally cut copper plates, which have opposite directions of winding in a carrier plate (Fig. 10; Fig. 11 12) made of insulating material with inner and outer webs of insulating material embedded and mechanically fixed in their position, the minimum distance of the windings from the inner and outer webs of the core made of soft magnetic material by plastic webs, the distance between primary and secondary windings by plates made of insulating materials.
3 . Vorrichtung zur Hochspaπnungsumformung nach 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet dass die einzelnen Wicklungen des Leistungstransformators durch die Kassettenbauweise untereinander in allen drei Achsen des Raumkoordinaten- Systemes fixiert, einen konstanten Koppelfaktor der Teiltransformatoren, sicherstellen.3rd Device for high-voltage forming according to 1 or 2, characterized in that the individual windings of the power transformer through the cassette construction with each other in all three axes of the spatial coordinate system fixed, ensure a constant coupling factor of the partial transformers.
4 . Vorrichtung zur Hochspannungsumformung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Kernform aus weichmagnetischem Werkstoff der Wicklungsarchitektur angepasst ist.4th Device for high-voltage forming according to claim 1, characterized in that the core shape made of soft magnetic material is adapted to the winding architecture.
5 . Vorrichtung zur Hochspannungsumformung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die elek¬ tronischen Leistungs-schalter in der Teilerkaskade als spannungssgesteuerte oder stromgesteuerte Bau¬ elemente ausgeführt sind.5. Device for high-voltage conversion according to claim 1, characterized in that the electronic circuit breakers in the divider cascade are designed as voltage-controlled or current-controlled components.
6 . Vorrichtung zur Hochspannungsumformung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Triggergenerator (Fig.1.5.; Fig. 5.)fünf mögliche Betriebszustände annehmen kann: (Ausgang kurzgeschlossen; + Stromquelle mit geringem Inneπwiderstand und definierter Einschaltdauer, + Stromquelle mit vorwählbarem Widerstand und variabler Zeitdauer; - Stromquelle mit geringem Innenwiderstand und defi¬ nierter Einschaltdauer; - Stromquelle mit vorwälbarem Innenwiderstand und variabler Einschaltdauer), wobei die maximale Einschaltdauer immer durch die variable Einschaltdauer als Funktion der Puisweitenmodulation bestimmt wird.6. Device for high-voltage conversion according to claim 1, characterized in that the common trigger generator (Fig.1.5 .; Fig. 5.) can assume five possible operating states: (output short-circuited; + current source with low internal resistance and defined duty cycle, + current source with preselectable resistance and variable Time duration; - current source with low internal resistance and defined duty cycle; - current source with selectable internal resistance and variable duty cycle), the maximum duty cycle always being determined by the variable duty cycle as a function of pure width modulation.
7 . Vorrichtung zur Hochspannungsumformung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dass, im Modus der Puisweitenmodulation, die Zeitdauer des Einschaltimpulses niemals länger als die Zeitdauer der Puls weitenmodulation ist7. Device for high-voltage conversion according to claim 1, characterized in that, in the mode of pulse width modulation, the duration of the switch-on pulse is never longer than the duration of the pulse width modulation
8 . Vorrichtung zur Hochspannungsumformung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dass, die Pri¬ märwicklungen der Treiber-Transformatoren (Fig. 1.9.) der einzelnen Leistungsschalter in der Kaskade durch einen mechanischen Relaiskontakt kurzgeschlossen sind, der durch die Freigabe für Impulssteuerung geöffnet wird und als Schutz der Vorrichtung bei Anlegen der Hochspannung bei abgeschalteter Steuerelektronik, dient8th . Device for high-voltage conversion according to claim 1, characterized in that the primary windings of the driver transformers (Fig. 1.9.) Of the individual circuit breakers in the cascade are short-circuited by a mechanical relay contact, which is opened by the release for pulse control and as protection of the device when the high voltage is applied with the control electronics switched off
9 . Vorrichtung zur Hochspannungsumformung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dass, der Trei¬ bertransformator und der Strom- Rückkoppeltransformator (Fig.15; Fig. 16.) in jedem Teiler der Kaskade in seiner Bauform derart gestaltet ist, dass die Primärwicklung und die Sekundärwicklungen jeweils auf einem eigenen, zylindrischen Wickelkorpern aus Isoiierwerkstoff aufgebracht sind, die Zylinder aufgrund deren unterschiedlichen Durchmesser im bewickelten Zustand ineinandergeschoben auf einem gemeinsamen Kern aus ferromagnetischen Werkstoff, vorzugsweise in "E" oder "EC" Ausführung gesteckt werden und als kom- plette Baugruppe in Isolierwerkstoff eingegossen oder in einen Behälter mit isolieröl getaucht werden.9. Device for high-voltage conversion according to claim 1, characterized in that the driver transformer and the current feedback transformer (Fig. 15; Fig. 16) in each divider of the cascade is designed in such a way that the primary winding and the secondary windings each on one own cylindrical winding cores made of insulating material are applied, the cylinders are pushed together due to their different diameters in the wound state on a common core made of ferromagnetic material, preferably in "E" or "EC" design and as a complete The entire assembly is poured into the insulating material or immersed in a container with insulating oil.
10 . Vorrichtung zur Hochspannungsumformung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet dass, es sich vorzugsweise um ein "L - C" Filter handelt das durch besondere Gestaltung der Wicklung und äussere Beschaltung der Serieninduktivität die typische Resonnanzschwingung eines Serieπresonnazkreises bei Anlegen einer Spruπgfunktion unterbunden wird. Dies erfolgt durch eine Paralellschaltung von Dioden in Sperrichtung und kleinen Kapazitäten parallel zu den Dioden zum überwiegenden Teil der Wicklung. Dem verbleibenden Rest der Wicklung wird eine Kombination aus Widerstand und Parallelschaltung von Diode in Sperrichtung mit parallel zur Diode geschalteter Kapazität parallel geschaltet10th Device for high-voltage conversion according to claim 1, characterized in that it is preferably an "L-C" filter which is prevented by the special design of the winding and external circuitry of the series inductance, the typical resonance oscillation of a series resonance circuit when a jump function is applied. This is done by parallel connection of diodes in the reverse direction and small capacitances in parallel to the diodes for most of the winding. The remaining rest of the winding is connected in parallel with a combination of resistance and parallel connection of diode in the reverse direction with capacitance connected in parallel to the diode
11 . Vorrichtung zur Hochspannungsumformung nach Anspruch 1 oder 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Serieninduktivität in Teilinduktivitäten aufgesplittet ist, die ihrerseits in Kassettenbauweise ausgeführt sind und einen gemeinsamen Kern aus weichmagnetischen Werkstoff besitzen.11. Device for high-voltage conversion according to claim 1 or 10, characterized in that the series inductance is split into partial inductors, which in turn are designed in a cassette design and have a common core made of soft magnetic material.
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