AT409692B - Spannungskompensierte d-verstärker als mehrphasenquelle - Google Patents

Description

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   Die Erfindung bezieht sich auf Wandlerschaltungen zur Umformung von Gleichspannungen in Mehrphasenspannungen an einer Last mit Hilfe   spannungskompens ! erter D-Verstarker,   aufgebaut mit komplementar angesteuerten   strombid ! rekt ! ona ! en   Schaltern (Antiparallelschaltung eines aktiven Halbleiterschalters wie Blpolartransistor, MOSFET,   IGBT,   GTO, MCT,   SIT (h)   mit einem passiven Schalter (Diode)) und In Reihe geschalteten Filtern und Kompensationseinrichtungen. 



   Die Betriebsgleichspannung kann je nach Anwendungsfall von einer Batterie, Solarzelle, Brennstoffzellen geliefert werden, oder durch Gleichrichtung aus dem Eln- oder Mehrphasennetz, bzw. durch Gleichrichtung der Ausgangsspannung von Wechsel- oder Drehstromgeneratoren und   anschliessender, eventuell   auch nur grober Filterung, gewonnen werden
Zur Realisierung einer Dreiphasenquelle werden drei D-Verstarker verwendet. In diesen wird mit Hilfe verschiedener Modulationsverfahren   z. B.

   Pulsbreitenmodulation, Sigma-Delta Modulation   aus dem Referenzsignal (Um) (bzw. einem digital übermittelten Vorgabewert, der dann direkt weiter verarbeitet werden kann) ein digitales Signal erzeugt, das mit Hilfe einer   (Halb- oder Voll-) Bru-   ckenschaltung in der Amplitude verstärkt wird und In einer anschliessenden Filterstufe In das gewünschte,   verstarkte   Analogsignal umgeformt wird. Verwiesen sei in diesem Zusammenhang auf den Artikel "Multi-purpose Half-Bridge DC-AC Converter,   Hlmmelstoss, F. A   &   K. H. Edelmoser,     INTELEC'95,   Oct.   29 - Nov.   1, 1995, The Hague, The Netherlands, pp.   684 - 689".

   Einen Überblick   
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 Modulators for High Frequency Power Electronics Applications, Glen Lucjjiff, lan Dobson & Deepak Divan, PESC'95, Atlanta, pp. 444-449". Weiters sei auf einen im   Artikel Class-D Amplifier   Simulation Problems,   Hlmmelstoss, FA   &   K. H.

   Edelmoser, IPEC-Yokohama'95, April 3-7, 1995,   Yokohama, Japan, pp.   255-258"untersuchten   D-Verstärker hingewiesen
Als Referenzspannung dient bei der Erzeugung einer   Drelphasenspannung   ein   Stnussigna !   (oder bei der Anwendung als Drehstrommotoransteuerung kann auch eine Spannung mit bestimmtem Oberschwingungsanteil verwendet werden), das als Referenzwert für die einzelnen Phasen entsprechend phasenverschoben ist, damit ein symmetrisches Drehstromsystem entsteht Es kann natürlich auch jede Phase einzeln geregelt werden. Das Verfahren ist natürlich nicht auf Dreiphasensysteme begrenzt. Es lasst sich auf alle Mehrphasensysteme anwenden. 



   Besonders vorteilhaft bel der hier besprochenen Schaltung ist die Tatsache, dass durch entsprechende Ansteuerung Spannungen beliebiger Form erzeugt werden   konnen.   Ebenso ist das System geeignet, Sinusspannungen und Trapezspannungen mit vorgebbarer Frequenz zur Ansteuerung von Drehstrommaschinen zu   verstarken   und den erforderlichen Filteraufwand zu reduzieren. Eine weitere Anwendung kann in der Realisierung von hochqualitativen dreiphasigen Netzspannungssimulatoren liegen. 



   Im Gegensatz zu klassischen D-Verstärkern, wo die Last ein fixer, in seinen Parametern nur sich gering ändernder Lautsprecher ist, ändert sich die Last bei Betrieb als Spannungsquelle Je nach Anwendung und auch entsprechend der Zeit. Um die erforderliche Kompensationsspannung klein zu halten, muss das Lastverhalten In die Sollwertbildung des Reglers miteinbezogen werden Anderseits ist bei der Anwendung als Spannungsquelle der Frequenzbereich limitiert. Bel der Erzeugung eines Inselnetzes bzw. bel der Einspeisung in ein bestehendes Mehrphasennetz ist die Frequenz fix, bel der Versorgung von   drehzahlvariablen   Antrieben ist der Frequenzbereich (verglichen mit Audioanwendungen) klein. 



   In EP 0554903 A2 (TOSHIBA) werden verlustarm Entlastungsnetzwerke zur Beschaltung von abschaltbaren Thyristoren behandelt Das Entlastungsverfahren wird auch bei dreiphasigen Um-   nchtern   angewendet. Es wird dabei im Entlastungsnetzwerk eine Stromquelle benutzt. Diese dient jedoch nur zur Entlastung. In der gegenständlichen Erfindung wird jedoch der Fehler der Ausgangsspannung eines drei-oder mehrphasigen Umrichters durch eine gesteuerte Strom- bzw gesteuerte Spannungsquelle kompensiert
Aufbauend auf AT 405705 B wird das Verfahren auf Mehrphasenspannungen ausgeweitet. Die Kompensationsquelle wird als Spannungsquelle in Serie mit der Ausgangsspannung (Fig. 1) einer Halbbrücke mit Ausgangsfilter bzw. als Stromquelle parallel (Fig 2) geschaltet. Die Bilder zeigen den Aufbau einer   Drelphasenquelle.   



   Die   Blider zeigen eine Drelphasenqueile   mit Spannungskompensation (Flg. 1) bzw. mit Stromkompensation (Fig. 2) beispielhaft aus MOSFET Halbbrücken aufgebaut Figur 3 zeigt den grund-   satzhchen   Aufbau fur eine Phase, wie er fur konstante Lasten sinnvoll Ist Hat man veränderliche 

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 Lasten, so ist es sinnvoll, den Kompensator entsprechend der Last zu adaptieren   (Fig.4). Schliess-   lich stellt Fig. 5 die Regeleinnchtung samt Adaption dar. Um   kleinere Kompensationssignale   zu erhalten, wird die Last in die Filternachbildung im   Sollwertpfad   einbezogen. Figur 6 stellt allgemein eine geschaltete Dreiphasenquelle mit Glättungsfiltern und Kompensatoren dar. 



   Figur 5 zeigt den Aufbau einer Phase des gegenständlichen Systems. Das zu verstärkende Signal (Um) wird neben der Modulationseinheit (3) zur Erzeugung des digitalen Signals einer Filternachbildung (9) mit angeschlossener Verzogerung (10) zur Erzeugung des Sollwerts   (Uso,,)   für den Regler (11) zugeführt. Durch diese Einrichtung wird die Signalverzögerung des Digitalverstärkers (darunter wird Modulationseinheit (3), Leistungs-Brückenschaltung (1) und Ausgangsfilter (2) verstanden) ausgeglichen. Der so erzeugte Sollwert   (sod)   wird mit dem reduzierten Spannungssignal   (ULast)   der Last (Uout) als Istwert verglichen (Messwerterfassung (12)) und einem Regler (11) zugeführt. Die Verwendung der Filternachbildung (9), sowie die Laufzeitkompensation (10) ist für die Funktion massgeblich.

   Der Regler (11) steuert dann die Kompensationsspannungsquelle (7). 



  Bei stark variablen Lasten   (z. B.   bei der Verwendung als allgemeines Mehrphasennetz) wird die Last identifiziert und die Filternachbildung (9) mit Hilfe der Adaptionsvorrichtung (14) entsprechend verändert. Dies führt zu einer Verringerung der erforderlichen Kompensationsleistung. 



   Die Kompensationsquelle (7) kann   z. B.   mit einer analogen komplementären Gegentaktendstufe, durch einen   Analogverstärker,   dessen Ausgangsspannung mit Hilfe eines Transformators eingekoppelt wird, bzw. durch einen entsprechend hochdynamisch gestalteten weiteren D-Verstärker oder Schaltnetzteil (zur Erhöhung der Dynamik auch bidirektional) realisiert sein. Als besonders vorteilhaft ist die Tatsache anzusehen, dass die von der Kompensationsquelle (7) aufzubringende Leistung nur einige Prozent der Gesamtleistung beträgt. Dies führt zu einem entsprechend hohen Wirkungsgrad der Gesamtanordnung. 



   Bei der praktischen Realisierung kann sowohl der Modulatorteil (3), als auch der Regler (8) für die Kompensationsspannungsquelle (bestehend aus Filternachbildung (9), Zeitverzögerung (10), Soll-Ist-Vergleich (13) und Regler (11)) digital mit einem Signalprozessor erzeugt werden. Ebenso kann die Optimierung des Reglers bzw. die Bestimmung der optimalen   Verzögerungszeit   bei der ersten Inbetriebnahme mit einer bestimmten Last mit Hilfe des Prozessors durchgeführt werden, bzw mit Hilfe einer Adaption während des Betriebes selbsttätig optimiert werden. 



   Die Schaltfrequenz wird dem Anwendungszweck entsprechend gewählt, wobei eine höhere Frequenz eine Verringerung des Ausgangsspannungsrippels und daher eine geringere Kompensationsspannung (kleinere Leistung, die vom analogen Verstärkerteil aufgebracht werden muss) mit sich bringt und auch in Hinblick auf die Dimensionierung des Ausgangsfilter (Drosseln und Kondensatoren) zweckmässig ist 
PATENTANSPRÜCHE : 
1.

   Anordnung zur Erzeugung von Mehrphasenquellen, bestehend aus strombidirektionalen getakteten Halbbrucken mit Filtern und im Verhältnis dazu hochdynamischen Quellen mit
Regelvorrichtungen zur Erzeugung einer dem Steuersignal (analoge Eingangsspannung oder digitaler Vorgabewert) proportionalen Ausgangsspannung, dadurch gekennzeich- net, dass in Serie zum jeweiligen Phasenverstärker, der aus einer Halbbrücke mit nachge- schaltetem Ausgangsfilter besteht, eine geregelte Spannungsquelle angeordnet ist bzw. parallel zum jeweiligen Phasenverstärker, der aus einer Halbbrücke mit nachgeschaltetem
Ausgangsfilter besteht, eine regelbare Stromquelle parallel geschaltet ist.

Claims (1)

1. 2. Anordnung gemäss Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung für Je- de Phase getrennt erfolgt.

   3. Anordnung gemäss Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung nur für eine Phase erfolgt, die Steuersignale der verbleibenden Phasen werden von den Signalen der Regeleinrichtung der geregelten Phase oder deren Stellsignal abgeleitet.

   4 Anordnung gemäss Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass in die Regelung das Lastverhalten einbezogen werden kann 5 Anordnung gemäss Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Lastverhalten durch adaptive Veränderung der Sollwertaufbereitung einbezogen wird. <Desc/Clms Page number 3>