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    公开号:WO1987001834A1
    申请号:PCT/CH1986/000124
    申请日:1986-09-02
    公开日:1987-03-26
    发明作者:André Kislovski
    申请人:Hasler Ag；
    IPC主号:G05F1-00
    专利说明:
    [0001] Elektrischer Leistungswandler
    [0002] Die Erfindung betrifft einen elektrischen Leistungswandler entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1.
    [0003] Elektrische Leistungswandler dienen zum Umwandeln und zum Bereitstellen einer elektrischen Leistung für einen Verbraucher, wenn in der Quelle der elektrischen Leistung, z.B. dem 50-Hz-WechselStromnetz oder einer Solarzellenbatterie, die elektrischen Grossen wie Spannung, Frequenz usw. nicht den Bedürfnissen des Verbrauchers entsprechen. In diesem
    [0004] Sinne entspricht jeder Netztransformator einem Leistungswandler. Im engeren Sinn spricht man von Leistungswandlern, wenn die Ausgangsgrössen, z.B. die Ausgangsspannung, gesteuert oder geregelt sind.
    [0005] Elektrische Leistungswandler sind von wenigen Watt Leistung bis zu hunderten von Kilowatt bekannt und arbeiten nach einer ganzen Reihe von verschiedenen Prinzipien. Im letzten Jahrzehnt hat sich das Schaltprinzip in verschiedenen Varianten sehr stark durchgesetzt, insbesondere für die Speisung elektronischer Geräte mittlerer Leistung; dies aufgrund eines hohen Wirkungsgrades und geringer Baugrösse.
    [0006] Die Regelung solcher Leistungswandler erfolgt vorwiegend durch Pulsbreitenmodulation oder bei Resonanzzellen durch Frequenzvariation. Hierbei sind regelmässig wichtige Nebenbedingungen zu berücksichtigen wie Ein- und Ausschaltverhalten, Kurzschlusssicherheit, dynamisches Regelverhalten bei sprunghaften Laständerungen usw. Diese Nebenbedingungen und ihre Beherrschung sind oftmals entscheidend für den technischen und wirtschaftlichen Wert eines Leistungswandlers. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine neue Klasse von elektrischen Leistungswandlern anzugeben, die bei grundsätzlicher Beibehaltung des Schaltprinzips wesentlich verbesserte Regeleigenschaften besitzt.
    [0007] Diese Aufgabe wird gelöst entsprechend dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 und unter Verwendung eines neuen Bauelements, wie es in Anspruch 2 und in einer von der vorliegenden Anmeldung unabhängigen, bisher unveröffentlichten Patentanmeldung eingehend beschrieben ist (PCT/CH86/00119).
    [0008] Im folgenden wird die Erfindung anhand von neun Figuren beispielsweise eingehend geschildert. Hierbei wird an verschiedenen Stellen auf den
    [0009] Stand der Technik hingewiesen. Es zeigen:
    [0010] Fig. 1 - Schematische Darstellung eines gesteuerten elektrischen
    [0011] Leistungswandlers
    [0012] Fig. 2 - Schematische Darstellung eines geregelten Leistungswandlers
    [0013] Fig. 3 - Schnittzeichnung eines Stellgliedes
    [0014] Fig. 4 - Symbolische Darstellung des Stellgliedes
    [0015] Fig. 5 bis 9 - Blockschaltbild verschiedener Ausführungsformen elektrischer Leistungswandler. Fig. 1 zeigt ein erstes, sehr schematisches und im Grunde bekanntes Blockschaltbild eines elektrischen Leistungswandlers 10, der Energie von einer beliebigen Leistungsquelle 11 zu einem ebenfalls beliebigen Verbraucher 12 bringt. Als mögliche Leistungsquelle 11 seien das allgemeine 50-Hz-WechselStromnetz, eine aus diesem Netz gespeiste Gleichspannungsquelle, d.h. ein Netzgleichrichter mit Glättungsfilter, ein wiederaufladbarer Akkumulator, eine gepufferte Solarzellenbatterie u.a. genannt, als möglicher Verbraucher 12 bevorzugt eine elektrische oder elektronische Schaltungseinrichtung, z.B. ein Oszillograf.
    [0016] Der Leistungswandler 10 umfasst einen Trenn- oder Leistungstransformator 13, der zum einen die Primärseite des Wandlers 10 galvanisch von seiner Sekundärseite trennt, und der zum anderen einem Wechselstrom i von einem primärseitigen Spannungsniveau auf ein sekundärseitiges Spannungsniveau transformiert. Der Leistungswandler 10 umfasst weiter ein Stellgl ed 14, über das mittels einer geeigneten Stellgrösse 15 die an den Verbraucher 12 abgegebene Leistung einstellbar ist.
    [0017] Der Wechselstrom i weist vorteilhaft eine Frequenz w auf, die wegen der Baugrösse des Transformators 13 wenigstens 1 kHz, und wegen der akustischen Hörbarkeit wenigstens 15 kHz beträgt. Nach oben ist die Frequenz wegen der heutigen Material- und Schaltungseigenschaften des Stellgliedes 14 und des Transformators 13 auf etwa 100 kHz beschränkt. Jedoch dürfte sich dieser Wert schon bald auf 1 MHz erhöhen. Die Form des Wechselstromes i kann sinusförmig oder als zerhackter Gleichstrom in der Spannung rechteckförmig sein. Andere Formen sind zwar weniger üblich, jedoch durchaus möglich.
    [0018] Die Anordnung nach Fig. 1 stellt insgesamt eine über die Stellgrösse 15 gesteuerte Anordnung dar. Fig. 2 zeigt dem gegenüber eine geregelte Anordnung. Bei dieser ist der Leistungswandler 10 ergänzt durch einen Sensor 20, der beispielsweise die Spannung des sekundärseitig an den Verbraucher 12 abgegebenen Stromes misst, und durch einen Regler 21, der aus der Messgrösse 22 des Sensors 20 und einer extern eingebbaren Sollgrösse 23 eine Stellgrösse 24 gewinnt und diese dem Stellglied 14 zuführt.
    [0019] Aus der Regelungstechnik ist bekannt, wo und wie weitere Sensoren 20 angeordnet sein können, wie der Regler 21 aufgebaut ist und wie die Einheiten 20, 21 und 14 prinzipiell als Regelkreis zusammenarbeiten.
    [0020] Das Stellglied 14 ist im Unterschied zu allen bekannten Leistungswandlern 10 ein induktiver Widerstand, dessen Induktivität L elektrisch, d.h. durch einen Steuerstrom I, in weiten Grenzen, d.h. wenigstens im Verhältnis 1:100, variierbar ist. Dieser induktive Widerstand ist in Reihe mit dem Leistungstransformator 13, und zwar bevorzugt mit der Primärwicklung des Transformators 13, geschaltet. Seine Eigenschaft entspricht, abgesehen von der Möglichkeit der elektrischen Variierbarkeit seiner Induktivität und damit seiner Reaktanz wL, vollkommen derjenigen einer normalen Drosselspule. Das Stellglied 14 beeinflusst damit ausschliesslich die Amplitude des Wechselstromes und zwar so, dass im Sinne eines Spannungsteilers ein dem jeweiligen Verhältnis der Reaktanz von Stellglied 14 und Transformatorwicklung 13 entsprechender Anteil der jeweils vorliegenden Spannung am Stellglied 14 bzw. am Transformator 13 abfällt. Hierbei tritt keine Verzerrung auf, was bedeutet, dass das Spektrum der Fourierzerlegung der Spannung konstant bleibt. Dies ist der entscheidende, vorteilhafte Unterschied zur z.B. Pulsbreitenmodulation,, bei der jeder Pulsbreite ein anderes Spannungsspektrum zugeordnet ist.
    [0021] Ein als Stellglied 14 verwendbarer induktiver Widerstand mit den geschilderten Eigenschaften ist in der genannten unabhängigen, bisher unveröffentlichten Patentanmeldung eingehend beschrieben. Das Stellglied ist entsprechend Fig. 3 bevorzugt aufgebaut aus zwei gleichen, ferromagnetischen, hochfrequenztauglichen, koaxial angeordneten, zylindrischen oder besser toroidalen Ringkernen 111, 112, insbesondere Ferritkernen (geschnitten dargestellt), von denen jeder im wesentlichen über seinen gesamten Winkelbereich gleichmässig mit einer Teilwicklung 151 bzw. 152 gleicher Windungszahl umwickelt ist. Diese Teilwicklungen haben entgegengesetzten Wicklungssinn und bilden in Reihe geschaltet eine Induktionswicklung 150, die vom Wechselstrom i durchflössen wird. Hierzu kommt eine Steuerwicklung.17, die in einem zweiten Arbeitsgang gemeinsam über die koaxial zusammengefassten Kerne 111, 112 und deren TeilWicklungen 151, 152 gewickelt ist, ebenfalls gleichmässig über den gesamten Winkelbereich, wodurch sie im Nebeneffekt die Kerne 111 und 112 mechanisch zusammenhält. Die Steuerwicklung 117 wird vom erwähnten Steuerstrom I durchflössen, wobei sich durch die jeweils zugeordnete, gleiche Vormagnetisierung der Ringkeren 111 und 112 für die Induktionswicklung 150 jeweils ein zugeordneter Induktivitäswert L einstellt. Aufgrund der beschriebenen Geometrie des Stellgliedes 14 ist diese Induktivität für Wechselströme i mit nicht zu hohen Spannungsamplituden konstant, benimmt sich also stets wie eine normale Drosselspule mit jeweils entsprechendem Induktivitätswert L.
    [0022] Fig. 4 zeigt eine symbolische Darstellung des Stellgliedes 14, wobei die Referenzzahlen denen von Fig. 3 entsprechen. In dieser Darstellung erscheint deutlich die galvanische Trennung der Induktionswicklung 150 und der Steuerwicklung 117. Nicht gezeigt ist, dass statt einer Induktionswicklung 150 und/oder einer Steuerwicklung 117 ohne weiteres auch zwei oder mehr entsprechende Wicklungen vorgesehen sein können.
    [0023] Fig. 5 zeigt ein detaillierteres Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform eines elektrischen Leistungswandlers 10, und zwar eines AC/AC-Wandlers (AC: alternating current, Wechselstrom). Der Wandler 10 umfasst einzig ein Stellglied 14 und einen Transformator 13. Die Induktivitätswicklung 150 ist in Reihe mit der Primärwicklung 13.1 des Transformators 13 geschaltet und zusammen mit dieser an eine Wechselstromquelle 11, beispielsweise einen Sinusoszillator, angeschlossen. Die Sekundärwicklung 13.2 speist den z.B. ohmischen Verbraucher 12. Die Steuerwicklung 117 ist an eine als variierbare Stromquelle ausgebildete Steuerung 30 angeschlossen, die einen einstellbaren Steuerstrom I abgibt. Dieser Leistungswandler arbeitet als Transformator mit variierbarer Ausgangsspannung, also als elektrisch gesteuerter Regeltransformator.
    [0024] Vertauscht man in Fig. 5 die Leistungsquelle 11 und den Verbraucher 12, so liegen die Sekundärwicklung des Transformators 13 und das Stellglied 14 in Reihe. Auch hierbei ergibt sich die Wirkung eines Regeltransformators.
    [0025] Fig. 6 zeigt eine weitere Variante des beschriebenen AC/AC-Wandlers bzw. des elektrisch gesteuerten Regeltransformators. Das Stellglied 14 des Leistungswandlers 10 weist zwei Steuerwicklungen 117.1 und 117.2 auf. Der Leistungstransformator 13 hat die gleiche Bauform wie das Stellglied 14 und besitzt eine Steuerwicklung 117.3 sowie zwei Induktionswicklungen 150.2 und 150.3, von denen die eine (150.2) als Primärwicklung und die andere (150.3) als Sekundärwicklung des Transformators 13 dient. Die Steuerwicklung 117.1 des Stellgliedes 14 ist an eine Konstantstromquelle 31 angeschlossen, die einen so grossen, konstanten Strom j abgibt, das die Ringkerne 111 und 112 des Stellgliedes magnetisch gesättigt werden. Die andere Steuerwicklung 117.2 des Stellgliedes 14 ist in Serie mit der Steuerwicklung 117.3 des Transformators 13 an die Steuerung 30 so angeschlossen, dass deren Steuerstrom I je nach seiner Stärke die Ringkerne 111 und 112 in Gegenwirkung zum Strom j mehr oder weniger entmagnetisiert und die Ringkerne des Transformators 13 entsprechend magnetisiert. Auf diese Weise nimmt die Induktivität Ls des Stellgliedes 14 ab, wenn die Induktivität Lj des Transformators 13 zunimmt und umgekehrt. Die Reaktanz wL der beiden Elemente ändert sich somit gegensinnig, was eine gegenüber der Anordnung von Fig. 5 erhöhte potentiometrische Wirkung ergibt mit entsprechend verbesserter Regelmöglichkeit der dem Verbraucher 12 zugeführten Sekundärspannung und des damit gekoppelten Stromes.
    [0026] Fig." 7 zeigt einen weiteren elektrischen Leistungswandler, und zwar einen DC/DC-Wandler (DC: direct current, Gleichstrom). Der Wandler umfasst zwei Schalttransistoren 41, 42, die mit fester Frequenz, z.B. 100 kHz, den Strom einer Gleichstromquelle 11 zerhacken und abwechselnd über die Induktionswicklung 150 des Stellgliedes 14 und die mit. dieser in Reihe geschalteten Primärwicklung 13.1 des Leistungstransformators 13 zwei Kondensatoren 43 und 44 aufladen.
    [0027] Der hierbei auftretende Wechselstrom i wird von der Primärwicklung 13.1 zur Sekundärwicklung 13.2 des Transformators 13 transformiert, über Dioden 48, 49 gleichgerichtet und dem Verbraucher 12, beispielsweise einer elektronischen Schaltung, zugeführt. Ein Kondensator 51 dient zur Glättung, Dioden 52, 53 parallel zu den Transistoren 41, 42 zu deren Schutz. Verbrauchsschwankungen und Schwankungen der Leistungsquelle 11 werden durch Veränderung der Reaktanz des Stellgliedes 14 variiert. Hierzu dient wiederum eine Steuerung 30 und deren Steuerstrom I durch die Steuerwicklung 117 des Stellgliedes 14.
    [0028] Fig. 8 zeigt eine Abwandlung des Leistungswandlers von Fig. 7, bei der die Kondensatoren 43 und 44 durch zwei weitere Schaltransistoren 55, 56 und diesen parallel geschaltete Schutzdioden 58, 59 ersetzt sind. Bei diesem Leistungswandler liegt die Serienschaltung der Induktivitätswicklung 150 und der Primärwicklung 13.1 im Brückenzweig einer durch die Schalttransistoren 41, 42, 55, 56 gebildeten Schaltbrücke. Die Transistoren werden durch eine nicht gezeigte Schaltsteuerung im festen Takt wechselweise ein- und ausgeschaltet, wodurch die Gleichspannung der Quelle 11 zerhackt und die Schaltbrücke abwechselnd in der einen und der anderen Richtung durch den Strom i durchflössen wird, wobei die Stromstärke durch die Reaktanz des Stell¬ gliedes 14 einstellbar bzw. regelbar ist.
    [0029] Fig. 9 zeigt einen weiteren Leistungswandler, der die Leistung einer Wechselspannungsquelle 11 in eine geregelte Gleichspannung sich ändernder Polarität umwandelt, also einen AC/AC-Wandler. Die Induktivitätswicklung 150 des Stellgliedes 14 ist wiederum in Reihe mit der Primärwicklung 13.1 des Leistungstransformators 13 geschaltet und an die Quelle 11 angeschlossen. An die Sekundärwicklung 13.2 des Transformators 13 ist ein elektronischer Polaritätsumschalter angeschlossen, wie er beispielsweise aus P.U. Lind, "Four quadrant bilateral power Converter", Proc. of Powerconversion, (Sept. 1982), bekannt ist. Dieser Umschalter weist vier Schalttransistoren 62 bis 65 auf, die über eine Filterdrossel 66 einen Kondensator 67 laden, an den der Verbraucher 12 angeschlossen ist. Der Umschalter richtet die transformierte WechselSpannung im Takt der Wechselspannungsquelle 11 mit sehr geringen Verlusten gleich. Die Leistungsregelung erfolgt wiederum über den Steuerstrom I, der von einer Steuerung 30 an die Steuerwicklung 117 des Stellgliedes 14 abgegeben wird.
    [0030] Bei den gezeigten Leistungswandlern 10 entsprechend den Figuren 5 bis 9 lässt sich ohne weiteres die jeweilige Steuerung 30 durch eine Regelung im Sinne von Fig. 2 ersetzen. Dies ist sogar die bevorzugte Ausführung, da Leistungswandler heute im allgemeinen sehr hohen regelungstechnischen Anforderungen genügen müssen. Die neue Art des Stellgliedes 14 bietet hierbei hervorragende Möglichkeiten zur Verbesserung der Regeleigenschaften, die nachfolgend aufgeführt werden.
    [0031] Alle gezeigten Leistungswandler 10 arbeiten grundsätzlich bei konstanter Frequenz des Wechselstromes i. Dies ist in mancherlei Hinsicht vorteilhaft. Es ist jedoch durchaus möglich, zusätzlich zur Regelung der Induktivität L des Stellgliedes 14, z.B. zum Ausgleich kurzfristiger Transienten, auch die Frequenz w des Wechselstromes i zu variieren, was eine zusätzliche Veränderung der Reaktanz wL des Stellgliedes 14 bewirkt.
    [0032] Das Einschalt-, Ausschalt- und Kurzschlussverhalten der Leistungswandler 10 ist sehr gut, da der Wechselstrom i aufgrund einer stets vorhandenen Reaktanz des Stellgliedes 14 nie über unzulässige Werte steigen kann. Bei Ausfall des Steuerstromes I erhöht sich die Reaktanz automatisch, was ein positiver Sicherheitsaspekt ist. Bei sekundärseit gern Kurzschiuss, der einer beliebig grossen Verbraucherleistung entspricht, kann die Reaktanz des Stellgliedes durch Abschalten des Steuerstromes I auf einen Maximalwert gebracht werden. Zusätzlich kann die Reaktanz durch Erhöhung der Frequenz des Wechselstromes i erhöht werden.
    [0033] Die Leistungswandler 10 besitzen alle Eigenschaften einer Stromquelle. Hierdurch entfallen Schwierigkeiten, die bei anderen Wandlern, z.B. pulsbreitengeregelten Wandlern, durch die sogenannte Erholungszeit trr der Gleichrichterdioden verursacht sind. Die zur Überwindung dieser Schwierigkeiten verwendeten Entlastungsnetzwerke sind daher nicht nötig.
    [0034] Streuinduktivitäten des Leistungstransformators 13 beeinflussen die Eigenschaften und die Funktion des Stellgliedes 14 nicht.
    [0035] Die Regelung der Reaktanz des Stellgliedes 14 über den Steuerstrom I erfolgt galvanisch getrennt vom gesteuerten Strom i. Es können über mehrere Steuerwicklungen 117 mehrere Steuerströme unabhängig voneinander verwendet werden.
    [0036] Das Stellglied ist mechanisch, elektrisch, magnetisch und thermisch robust. Es kann in beliebigen Baugrössen relativ billig hergestellt und an die jeweiligen Bedürfnisse angepasst werden. Sein Einsatz erfordert keine speziellen Vorsichtsmassnahmen.
    [0037] Die Einstellung des Steuerstroms I auf denjenigen Wert, der der jeweils gewünschten Reaktanz entspricht, ist einfach und mit bekannten Mitteln, z.B. einem Transistorverstärker, vornehmbar.
    权利要求:
    ClaimsPatentansprüche
    1. Elektrischer Leistungswandler (10) mit einem Leistungstransformator (13) zum Transformieren eines
    Wechselstromes (i) beliebiger Form und Frequenz (w) und zum galvanischen
    Trennen der primärseitigen Leistungsquelle (11) vom sekundärseitigen
    Verbraucher (12), und mit einem Stellglied (14) zur Beeinflussung der sekundärseitig abgegebenen Leistung, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (14) als induktiver Widerstand ausgebildet ist, der in Reihe mit dem Leistungstransformator (13) geschaltet ist, der den Wechselstrom (i) ausschliesslich bezüglich seiner Amplitude bzw.
    Spannung und damit im wesentlichen verzerrungsfrei beeinflusst, und dessen Reaktanz (wL) mittels eines Steuerstromes (I) durch Änderung des
    Induktivitätswertes (L) wenigstens im Verhältnis 1:100 variierbar ist.
    2. Elektrischer Leistungswandler (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der das Stellglied (14) bildende induktive Widerstand folgende
    Teile umfasst: zwei voneinander unabhängige, gleiche, koaxial angeordnete, hochfrequenztaugliche, ferromagnetische Ringkerne (111, 112); eine Steuerwicklung (117), die die Ringkerne (111, 112) gemeinsam umwindet; und eine Induktionswicklung (150), die in Form zweier in Reihe geschalteter TeilWicklungen (151, 152) die beiden Ringkerne (111, 112) je einzeln umwindet; dass die Induktionswicklung (150) in Reihe mit einer der Wicklungen (13.1, 13.2) des Leistungstransformators (13) geschaltet ist, und dass die Steuerwicklung (117) an eine den Steuerstrom (I) abgebende Steuerung (30) angeschlossen ist (Fig. 3,4).
    3. Elektrischer Leistungswandler (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz (w) des Wechselstromes (i) höher als etwa 10 kHz und konstant ist.
    4. Elektrischer Leistungswandler (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    Frequenz (w) des Wechselstromes (i) höher als etwa 10 kHz ist
    und variiert.
    5. Elektrischer Leistungswandler (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionswicklung (150) in Reihe mit der Primärwicklung (13.1) des Leistungstransformators (13) geschaltet ist.
    6. Elektrischer Leistungswandler (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionswicklung (150) in Reihe mit der Sekundärwicklung (13.2) des Leistungstransformators (13) geschaltet ist.
    7. Elektrischer Leistungswandler (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (14) Bestandteil eines Steuerkreises ist (Fig. 1).
    8. Elektrischer Leistungswandler (10) nach Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet, dass "das Stellglied (14) Bestandteil eines Regelkreises ist, der zusammen mit dem Stellglied (14) wenigstens einen Sensor (20) und einen Regler (21) umfasst (Fig. 2).
    9. Elektrischer Leistungswandler (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselstrom (i) ein Sinusstrom ist.
    10. Elektrischer Leistungswandler (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselstrom (i) ein Rechteckstrom ist.
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    优先权:
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