WO2010003782A1 - Auto-tracking resonant dc-dc converter - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a DC - DC resonant converter and in particular to such a transmission system with self - monitoring of the efficiency control range as a function of the application.
- the invention is based on the object of providing a DC transmission path with minimal
- the transmission path has the following features:
- At least one frequency controllable DC-AC inverter inverter
- -a transmission unit consisting of a series or parallel resonant circuit, possibly of two separate, of the type of construction, congruent transformer halves transmitting electrical power from the inverter to the converter,
- At least one AC-DC converter (Power converter) with passive rectification
- an autotracking unit providing adaptive frequency adaptation, according to location and
- the transmission path according to the invention makes it possible to transmit low-loss DC voltage with high power dynamics with constant voltage or constant current.
- the resonant transmission path causes an internal
- Reactive power compensation by tuning the resonant frequency as a function of the resonant components and their value changes and thus stands in contrast to the known phase shifter with gradual tracking of the capacitance change.
- a redundant auxiliary circuit provides the prerequisite for the monitoring of the main circuit, as well as the status inquiry of the system in case of failure and during commissioning, since the main circuit is no longer available for necessary sensor and logic detection in the off state.
- the aim is, after the respective plant diagnosis, the performance of the plant depending on maintenance and operating conditions such as: - commissioning - maintenance - standby
- a system-specific data transmission unit as an embedded system effects local data communication.
- the transmitter can operate as a central interface between source and consumption as an intelligent interface and take over the central monitoring of the main circuit auxiliary circuit and data link, with the demand for the highest possible efficiency and safety, with response times in plant real time.
- the auto-tracking resonance converter as an arbitrary synchronous transformer, can bidirectionally control and monitor the power flow.
- the arbitration determines the current direction and, if necessary, the current level and thus locates the position from current source to current sink, due to the voltage / current increase or ratio.
- the master / S Ia ve ratio of the two transmitter sides is determined. This will remain so until shutdown / reclosing, even if the location of the power source changes to the current sink, i. the master synchronizes the slave.
- the master specifies the frequency tracking for setting and optimizing the efficiency.
- the two transmitter sides switch at zero crossing or the current is adjusted according to its position to the zero point so that it can be switched at zero point. If both transformer halves are of the type of construction congruent, they together form a whole that can be functionally considered as a transformer half. This consideration is equally applicable to the open and closed oscillation circuit with forced oscillation.
- the forced oscillation is carried out via the adaptive frequency adaptation and applies equally to the unidirectional as well as the bidirectional transmission. -A-
- the sinusoidal current of forced resonant oscillation and softswitching lead to minimal losses and low interference frequencies or noise components at current peaks.
- the self-adjustment and self-monitoring of the system is from the manufacturing assembly to maintenance.
- Condition measurements can be performed with simple, robust modules / devices
- the transformer not only forms the local separation point between the stationary and the rotating plane but also the central possibly intelligent interface between source and sink.
- the master / slave synchronous mode allows the construction of stitch and ring networks for high security requirements by the bidirectional crufiuss even in hazardous areas.
- the galvanically isolated coupling parts also enable safe, safe insertion and disconnection of the lower load.
Landscapes
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- Power Engineering (AREA)
- Dc-Dc Converters (AREA)
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Abstract
An auto-tracking resonant DC-DC converter has at least one frequency-controllable DC-AC inverter, a transmitter unit comprising a resonant circuit that transmits electric power from the inverter to the converter, at least one AC-DC converter with passive rectification, an auto-tracking unit that forces an adaptive frequency tuning according to the position and level of the power curve relative to the zero point via the inverter and thus determines, monitors, and optionally optimizes as an embedded system the transfer efficiency of the resonant DC-DC converter.
Description
Beschreibung description
DC - DC Auto-Tracking-Resonanz-KonverterDC - DC Auto Tracking Resonance Converter
Die Erfindung bezieht sich auf einen DC - DC Resonanzkonverter und insbesondere auf ein solches Übertragungssystem mit Eigenüberwachung des Wirkungsgrad - Regelbereiches als Funktion der Anwendung.The invention relates to a DC - DC resonant converter and in particular to such a transmission system with self - monitoring of the efficiency control range as a function of the application.
Im Zuge der dezentralen elektrischen Versorgung im Systemverbund ist eine effektive Einstellung des optimalen Wirkungsgrades und dessen Langzeitkonstanz von großer Bedeutung für die effiziente Nutzung der Ressourcen , von der Primärqelle bis zur letzten Senke.In the course of the decentralized electrical supply in the system network, an effective setting of the optimum efficiency and its long-term stability is of great importance for the efficient use of resources, from the primary source to the last sink.
Die derzeit eingesetzten Konverter zeigen bereits akzeptable bis sehr gute Werte bezüglich derThe currently used converters already show acceptable to very good values with respect to the
Übertragungseffizienz, vor allem in den unteren Leistungsklassen bis ca. 500 Watt. Jedoch birgt eine präzise, engtolerierte Auslegung der Schalt- und Regelkreise ein Problem in der Einhaltung der Langzeitkonstanz, unter Beibehaltung von:Transmission efficiency, especially in the lower power classes up to 500 watts. However, a precise, close-tolerance design of the switching and control circuits has a problem in maintaining the long-term stability, while maintaining:
-Effizienzefficiency
-Verfügbarkeit-Availability
-Zuverlässigkeit-Reliability
-Betriebssicherheit.-Betriebssicherheit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine DC - Übertragungsstrecke unter minimalemThe invention is based on the object of providing a DC transmission path with minimal
Aufwand an Komponenten zu bauen, die auch bei schwankenden Parametern undExpenditure of components to build, which also with fluctuating parameters and
Toleranzfeldern, der integrierten Bauelemente und Module, aufgrund von:Tolerance fields, integrated components and modules, due to:
-Alterung-Alterung
-Betriebstemperatur-Operating temperatur
-Schaltverlusten (der Halbleiter)Switching losses (the semiconductor)
-schwankender Speisespannung- fluctuating supply voltage
-hohem, dynamischen Belastungswechsel, in Betrag, gegebenenfalls in Betrag und Richtung ihre-high, dynamic load change, in amount, if necessary in amount and direction their
Anwendungsbestimmung erfüllt.Application determination fulfilled.
Kalkulierbare Ausfall-, Überlast- und Kurzschlußbedingungen dürfen keine Schäden, Bauteileausfälle keine Folgeschäden hervorrufen.
Eine erfϊndungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.Calculable failure, overload and short circuit conditions must not cause any damage, component failures no consequential damage. A erfϊndungsgemäße solution of this problem is specified in claim 1. Further developments of the invention are the subject of the dependent claims.
Erfindungsgemäß weist die Übertragungsstrecke folgende Merkmale auf:According to the invention, the transmission path has the following features:
-wenigstens einen frequenzsteuerbaren DC - AC Inverter (Wechselrichter),at least one frequency controllable DC-AC inverter (inverter),
-eine Übertragungseinheit, bestehend aus einem seriellen oder parallelen Resonanzschwingkreis, gegebenenfalls aus zwei einzelnen, von der Art des Aufbaus, kongruenten Übertragerhälften, die elektrische Leistung vom Inverter zum Konverter überträgt,-a transmission unit consisting of a series or parallel resonant circuit, possibly of two separate, of the type of construction, congruent transformer halves transmitting electrical power from the inverter to the converter,
-wenigstens einen AC - DC Konverter. (Stromrichter) mit passiver Gleichrichtung,At least one AC-DC converter. (Power converter) with passive rectification,
-(mindestens) eine Autotracking-Einheit, die eine adaptive Frequenzanpassung, nach Lage und- (at least) an autotracking unit providing adaptive frequency adaptation, according to location and
Level der Stromkurve (Resonanzschwingkreiskurve) zum Nullpunkt, über den Inverter erzwingt, und somit als embedded System, den Transferwirkungsgrad des DC - DC Resonanz- Konverters bestimmt, überwacht und gegebenenfalls optimiert.Level of the current curve (resonant circuit curve) to the zero point, over which inverter forces, and thus as embedded system, determines the transfer efficiency of the DC - DC resonant converter, monitors and optimizes if necessary.
Die erfindungsgemäße Übertragungsstrecke erlaubt es, verlustarm, Gleichstrom unter hoher Leistungsdynamik spannungskonstant oder stromkonstant zu übertragen.The transmission path according to the invention makes it possible to transmit low-loss DC voltage with high power dynamics with constant voltage or constant current.
Insbesondere bewirkt die resonante Übertragungsstrecke eine innereIn particular, the resonant transmission path causes an internal
Blindleistungskompensation durch Tunen der Resonanzfrequenz in Abhängigkeit der resonanten Bauelemente und deren Werteänderungen und steht somit im Gegensatz zur bekannten Phasenschieberkompensation mit schrittweiser Nachführung der Kapazitätsänderung.Reactive power compensation by tuning the resonant frequency as a function of the resonant components and their value changes and thus stands in contrast to the known phase shifter with gradual tracking of the capacitance change.
Bei einer weiteren Ausgestaltung bringt ein redundanter Hilfsstromkreis die Voraussetzung für die Überwachung des Hauptstromkreises, sowie die Zustandsabfrage des Systems im Störungsfall als auch bei der Inbetriebnahme, da der Hauptstromkreis im abgeschalteten Zustand nicht mehr für notwendige Sensor- und Logikabfragungen zur Verfügung steht. Ziel ist dabei, nach jeweiliger Anlagendiagnose die Performance der Anlage in Abhängigkeit von Wartungsund Betriebszuständen wie: -Inbetriebnahme -Wartung -StandbyIn a further embodiment, a redundant auxiliary circuit provides the prerequisite for the monitoring of the main circuit, as well as the status inquiry of the system in case of failure and during commissioning, since the main circuit is no longer available for necessary sensor and logic detection in the off state. The aim is, after the respective plant diagnosis, the performance of the plant depending on maintenance and operating conditions such as: - commissioning - maintenance - standby
-netzentkoppelter (Batterie-) Betrieb -Notbetrieb -Vollbetrieb
vor Ort oder durch Fernwirktechnik zu bestimmen.- Network decoupled (battery) operation - emergency operation - full operation to be determined on site or by telecontrol.
Des Weiteren bewirkt eine systemeigene Datenübertragungseinheit als embedded System eine lokale Datenkommunikation.Furthermore, a system-specific data transmission unit as an embedded system effects local data communication.
Weiterführend kann der Übertrager als zentraler Schnittpunkt zwischen Quelle und Verbrauch als intelligente Schnittstelle operieren und die zentrale Überwachung von Hauptstromkreis Hilfsstromkreis und Datenstrecke, mit der Forderung nach höchstmöglicher Effizienz und Sicherheit übernehmen, mit Reaktionszeiten in Anlagenechtzeit.Furthermore, the transmitter can operate as a central interface between source and consumption as an intelligent interface and take over the central monitoring of the main circuit auxiliary circuit and data link, with the demand for the highest possible efficiency and safety, with response times in plant real time.
Wichtige Entscheidungsmerkmale, ob und wie der Verbraucher am Netz bleiben kann, gegebenenfalls die Anlage mit dem Verbraucher wieder ans Netz gehen kann, können von dieser zentralen Schnittstellevorzugsweise verwaltet und ausgeführt werden.Important decision-making characteristics as to whether and how the consumer can remain on the network, if appropriate the system can be reconnected to the consumer, can preferably be managed and executed by this central interface.
In einer weiteren Ausgestaltung kann der Auto-Tracking-Resonanz-Konverter als arbitriärer Synchronübertrager den Leistungsfiuss bidirektional steuern und überwachen.In a further refinement, the auto-tracking resonance converter, as an arbitrary synchronous transformer, can bidirectionally control and monitor the power flow.
Die Arbitrierung stellt die Stromrichtung und gegebenenfalls den Strom-Level fest und ortet somit die Lage von Stromquelle zu Stromsenke, aufgrund des Spannungs-/Stromanstieges bzw. Verhältnisses. Hierbei wird das Master/S Ia ve Verhältnis der beiden Übertragerseiten festgelegt. Dieses bleibt so bis zur Abschaltung/Wiedereinschaltung bestehen, auch wenn sich die Lage von Stromquelle zur Stromsenke ändert, d.h. der Master synchronisiert den Slave. Der Master gibt die Frequenznachführung zur Einstellung und Optimierung des Wirkungsgrades vor. Die beiden Übertragerseiten schalten dabei im Nulldurchgang bzw. der Strom wird nach seiner Lage zum Nullpunkt so eingestellt, dass im Nullpunkt geschaltet werden kann. Sind beide Übertragerhälften von der Art des Aufbaus kongruent, bilden sie zusammen ein Ganzes, das funktionell wie eine Übertragerhälfte betrachtet werden kann. Diese Betrachtung ist gleichermaßen auf den offenen- wie auf den geschlossenen Schwingkreis mit erzwungener Schwingung anwendbar.The arbitration determines the current direction and, if necessary, the current level and thus locates the position from current source to current sink, due to the voltage / current increase or ratio. Here, the master / S Ia ve ratio of the two transmitter sides is determined. This will remain so until shutdown / reclosing, even if the location of the power source changes to the current sink, i. the master synchronizes the slave. The master specifies the frequency tracking for setting and optimizing the efficiency. The two transmitter sides switch at zero crossing or the current is adjusted according to its position to the zero point so that it can be switched at zero point. If both transformer halves are of the type of construction congruent, they together form a whole that can be functionally considered as a transformer half. This consideration is equally applicable to the open and closed oscillation circuit with forced oscillation.
Die erzwungene Schwingung wird über die adaptive Frequenzanpassung durchgeführt und .gilt gleichermaßen für die unidirektionale wie für die bidirektionale Übertragung .
-A-The forced oscillation is carried out via the adaptive frequency adaptation and applies equally to the unidirectional as well as the bidirectional transmission. -A-
Der sinusförmige Strom der erzwungenen Resonanzschwingung und Softswitching (Schalten im Nulldurchgang der Schwingung) fuhren zu minimalen Verlusten und geringen Störfrequenzen oder Störanteilen bei Stromspitzen.The sinusoidal current of forced resonant oscillation and softswitching (switching in the zero crossing of the oscillation) lead to minimal losses and low interference frequencies or noise components at current peaks.
Zur Einstellung der optimalen Resonanzfrequenz, zur Optimierung der Übertragungseffizienz, werden auf Langzeit keine Abgleicharbeiten nötig.In order to set the optimum resonance frequency and to optimize the transmission efficiency, no adjustment work is required on a long-term basis.
Die Eigenjustierung und Selbstüberwachung des Systems besteht ab der Fertigungsmontage bis zur Wartung..The self-adjustment and self-monitoring of the system is from the manufacturing assembly to maintenance.
Zustandsmessungen können mit einfachen, robusten Modulen / Geräten durchgeführt werdenCondition measurements can be performed with simple, robust modules / devices
In einer weiteren Ausgestaltung als rotierender DC - DC Wandler mit galvanischer Trennung der sekundären Leistungsabgabe von der Primärversorgung bildet der Übertrager nicht nur die lokale Trennstelle zwischen der stationären und der rotierenden Ebene sondern auch die zentrale gegebenenfalls intelligente Schnittstelle zwischen Quelle und Senke.In a further embodiment as a rotating DC-DC converter with galvanic separation of the secondary power output from the primary supply, the transformer not only forms the local separation point between the stationary and the rotating plane but also the central possibly intelligent interface between source and sink.
Die bidirektionale Steuerung und Überwachung des Leistungsflusses ist hier, bei sich ständig ändernden Massenbewegungen in Betrag und Richtung der bewegenden Ebenen und relativ zueinander von großer Bedeutung, für eine optimale Gestaltung -der Elektroarchitektur -der Anlagenkinetik -der AnlageneffizienzThe bidirectional control and monitoring of the power flow is of great importance here, with constantly changing mass movements in magnitude and direction of the moving planes and relative to each other, for an optimal design of the electrical architecture-the plant kinetics-of the plant efficiency
In einer weiteren Ausgestaltung als elektromechanische Steckkupplung, Anschluss-, Verbindungs- oder Abzweigmuffe, ermöglicht der Master/Slave Synchronmodus durch den bidirektionalen Leistungsfiuss den Aufbau von Stich- und Ringnetzen nach hohen Sicherheitsansprüchen auch bei Anwendungen in Gefahrenzonen.In a further embodiment as an electromechanical plug-in coupling, connecting, connecting or branching sleeve, the master / slave synchronous mode allows the construction of stitch and ring networks for high security requirements by the bidirectional Leistungsfiuss even in hazardous areas.
Die galvanisch getrennten Kupplungsteile ermöglichen auch sicheres, gefahrloses Stecken und Trennen untere Last.
The galvanically isolated coupling parts also enable safe, safe insertion and disconnection of the lower load.
Claims
1. DC - DC Auto-Tracking-Resonanz-Konverter mit Selbstüberwachung des Transferwirkungsgrades als embedded System, umfassend1. DC-DC auto-tracking resonant converter with self-monitoring of the transfer efficiency as an embedded system, comprising
-wenigstens einen frequenzsteuerbaren DC - AC Inverter (Wechselrichter),at least one frequency controllable DC-AC inverter (inverter),
-wenigstens einen AC - DC Konverter (Stromrichter) mit passiver Gleichrichtung,at least one AC-DC converter (power converter) with passive rectification,
-eine Übertragungseinheit, bestehend aus einem Resonanzschwingkreis, der elektrische Leistung vom Inverter zum Konverter überträgt, unda transmission unit consisting of a resonant circuit which transmits electric power from the inverter to the converter, and
-(mindestens) eine Autotracking - Einheit, die eine adaptive Frequenzanpassung nach Lage und- (at least) an autotracking unit that performs an adaptive frequency adjustment by location and
Level der Stromkurve (Resonanzschwingkreiskurve) zum Nullpunkt über den Inverter erzwingt und somit als embedded System, den Transferwirkungsgrad des DC - DC Resonanz- Konverters bestimmt, überwacht und gegebenenfalls optimiert.Level of the current curve (resonant circuit curve) to the zero point via the inverter enforces and thus as an embedded system, determines the transfer efficiency of the DC - DC resonant converter, monitored and optionally optimized.
2. Konverter nach Anspruch 1 , wobei das Tunen der Resonanzfrequenz in Abhängigkeit der resonanten Bauelemente und deren Werteänderungen eine innere Blindleistungskompensation bewirkt.2. Converter according to claim 1, wherein the tuning of the resonant frequency in response to the resonant components and their value changes causes an internal reactive power compensation.
3. Konverter nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein redundanter Hilfsstromkreis die Überwachung des Hauptstromkreises und die Zustandsabfrage des Systems im Störungsfall als auch bei der Inbetriebnahme/ Wartung übernimmt.3. Converter according to claim 1 or 2, wherein a redundant auxiliary circuit takes over the monitoring of the main circuit and the status inquiry of the system in case of failure as well as during commissioning / maintenance.
4. Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mindestens eine systemeigene Datenübertragungseinheit eine lokale Datenkommunikation bewirkt.4. Converter according to one of claims 1 to 3, wherein at least one native data transmission unit causes a local data communication.
5. Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, der als arbiträrer Synchronübertrager den Leistungsfluss bidirektional steuert und überwacht.5. Converter according to one of claims 1 to 4, which controls the power flow bi-directional as an arbitrary synchronous transformer and monitors.
6. Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, der als Master einen Slave synchronisiert und die Frequenznachführung durch Einstellung und Optimierung vorgibt.6. Converter according to one of claims 1 to 5, which synchronizes a master as a slave and specifies the frequency tracking by setting and optimization.
7. Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zwei Übertragerhälften vorgesehen sind, die im Nulldurchgang schalten.7. Converter according to one of claims 1 to 6, wherein two transformer halves are provided, which switch in the zero crossing.
8. Konverter nach Anspruch 7, wobei die Übertragerhälften kongruent aufgebaut sind. 8. Converter according to claim 7, wherein the transformer halves are constructed congruent.
9. Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine erzwungenen Schwingung über eine adaptive Frequenzanpassung für eine unidirektionale wie für eine bidirektionale Übertragung durchgeführt wird.A converter according to any one of claims 1 to 8, wherein forced oscillation is performed via adaptive frequency adjustment for unidirectional as well as bi-directional transmission.
10. Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, der als elektromechanische Steckkupplung, Anschluss-, Verbindungs- oder Abzweigmuffe ausgebildet ist, wobei ein Master/Slave Synchronmodus den bidirektionalen Leistungsfluss in Stich- und Ringnetzen ermöglicht. 10. Converter according to one of claims 1 to 9, which is designed as an electromechanical plug-in coupling, connecting, connecting or branching sleeve, wherein a master / slave synchronous mode allows bidirectional power flow in stitch and ring networks.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102008028284.7 | 2008-06-16 | ||
| DE102008028284A DE102008028284A1 (en) | 2008-06-16 | 2008-06-16 | DC-DC Auto-Tracking Resonance Converter with self-monitoring of transfer efficiency as embedded system |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2010003782A1 true WO2010003782A1 (en) | 2010-01-14 |
Family
ID=41258278
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/EP2009/057454 WO2010003782A1 (en) | 2008-06-16 | 2009-06-16 | Auto-tracking resonant dc-dc converter |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102008028284A1 (en) |
| WO (1) | WO2010003782A1 (en) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4535399A (en) * | 1983-06-03 | 1985-08-13 | National Semiconductor Corporation | Regulated switched power circuit with resonant load |
| US4837452A (en) * | 1988-10-19 | 1989-06-06 | Spectra-Physics, Inc. | Off-line dc power supply |
-
2008
- 2008-06-16 DE DE102008028284A patent/DE102008028284A1/en not_active Withdrawn
-
2009
- 2009-06-16 WO PCT/EP2009/057454 patent/WO2010003782A1/en active Application Filing
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| US4837452A (en) * | 1988-10-19 | 1989-06-06 | Spectra-Physics, Inc. | Off-line dc power supply |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE102008028284A1 (en) | 2010-02-11 |
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