DE102008045234B4

DE102008045234B4 - Verfahren und Anordnung zur Oberwellenunterdrückung bei wechselspannungsbetriebenen Luftheizern mit PTC-Technologie

Info

Publication number: DE102008045234B4
Application number: DE102008045234A
Authority: DE
Inventors: Klaus Seidler; Jörg Engelhardt; Lennard Janiak
Original assignee: ESW GmbH
Current assignee: Vincorion Advanced Systems GmbH
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2013-11-07
Anticipated expiration: 2028-08-30
Also published as: US20100052432A1; FR2935565A1; DE102008045234A1

Abstract

Verfahren zur Oberwellenunterdrückung bei wechselspannungsbetriebenen PTC-Heizern, bei dem ein im Strom vom PTC-Heizer erzeugter Oberwellenanteil, der dominierend die dritte Oberwelle des Heizstroms (I2) enthält, durch Überlagerung mit Korrektursignalen kompensiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Spannungsmodulation in einem seriell zum PTC-Heizer (3) angeordneten Spannungsmodulator (4) erzeugt wird, in dem – ausschließlich der Momentanwert der Versorgungsspannung erfasst wird und – ab einem durch einen Spannungseinsatzpunkt (E) bestimmten Momentanwert der Versorgungsspannung als Spannungsmodulation eine definierte Amplitudendämpfung der sinusförmigen Versorgungsspannung (U1) zur Unterdrückung der dritten Harmonischen im Heizstrom (I2) des PTC-Heizers (3) durchgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Oberwellenunterdrückung bei wechselspannungsbetriebenen PTC-Heizern, bei denen ein im Strom vom PTC-Heizer erzeugter Oberwellenanteil, der dominierend die dritte Oberwelle des Heizstroms enthält, durch Überlagerung mit Korrektursignalen kompensiert wird, insbesondere für PTC-Heizelemente in frequenzstabilen und frequenzvariablen Wechselspannungsnetzen von Fahrzeugen der Luft- und Raumfahrt.
PTC-Heizer besitzen einen temperatur- und einen spannungsabhängigen Widerstandskoeffizienten. Während der temperaturabhängige Koeffizient die gewollte Funktion darstellt, ist das spannungsabhängige Verhalten ein für die Anwendung negativer Nebeneffekt und führt bei sinusförmiger Versorgungsspannung zu Stromoberwellen und damit zu einem ungewünschten Klirrfaktor. Den größten Anteil liefern bei den üblichen PTC-Heizern die ungeradzahligen Oberwellen bei einem Gesamtklirrfaktor von typisch größer 7%. In speziellen Anwendungen, wie z. B. Heizer für Luft- und Raumfahrzeuge, sind die zulässigen Klirrfaktoren eingeschränkt und dürfen beispielsweise 5% nicht überschreiten. Deshalb werden bei Verwendung von PTC-Heizern in speziellen Anwendungen Filtermaßnahmen ergriffen, um die zulässigen Grenzwerte des Klirrfaktors nicht zu überschreiten.
Im Stand der Technik ist es bekannt, unerwünscht hohe Oberwellenanteile mittels passiver LC-Filter oder aktiver Inverterschaltungen zu unterdrücken. Insbesondere in frequenzvariablen Versorgungsnetzen führen solche Realisierungen jedoch zu einer aufwendigen Schaltung bezüglich Gewicht, Volumen und Kosten.
Aus der US 5,751,138 ist eine Schaltung zur Kompensation von Oberwellenstörungen eines Netzspannungssystems beschrieben, in der ein pulsbreitenmodulierter Inverter für jede Netzphase gesteuert wird, um ein Oberwellenkompensationssignal zu erzeugen, das in eine Impedanzspule eingekoppelt wird. Die Impedanzspule ist in Reihe zwischen einem Rechteckwelleninverter und einer jeweiligen Phase angeordnet, wobei der Rechteckwelleninverter einen Strom erzeugt, der den Blindwiderstand der Last in der jeweiligen Phase des Strompfades gegenphasig kompensiert. Dabei ist der Rechteckwelleninverter vom pulsbreitenmodulierten Inverter entkoppelt und auf einer die Grundfrequenz wesentlich übersteigenden Frequenz zu betreiben, so dass allein die Spannungsversorgung dafür einen unvertretbar hohen Aufwand bedeutet.
Zur Verringerung des Aufwandes ist aus der DE 10 2007 012 699 A1 ein Lösungsweg bekannt, bei dem die dominierende 3. Oberwelle durch einen parallel eingespeisten Strom mit 180°-Phasendrehung weitestgehend kompensiert wird. Es erweist sich aber als nachteilig, dass die dritte Oberwelle nur für einen gewählten Arbeitspunkt, der vorzugsweise im Hochlastbereich des Heizers liegt, ideal zu Null geregelt werden kann, während es für alle Niedriglaststufen zu einer Überkompensation kommt, die die dritte Oberwelle – gegenphasig – erneut einbringt. Ferner wird die Strommodulation mit der dreifachen Frequenz der Versorgungsspannung betrieben, die beispielsweise in Bordnetzen von Flugzeugen zu einer erhöhten Störanfälligkeit führt, falls die Versorgungsspannung schwankt.
Ferner ist aus der DE 10 2005 005 260 A1 eine Stromoberwellenunterdrückung bekannt, bei der in Reihe zu einer nichtlinearen Last (eines Gleichrichters) ein Leistungshalbleiter so gesteuert wird, dass Oberwellen im Strom reduziert werden. Dabei wird – abgestimmt auf das Oberwellenverhalten der Last die Frequenzabhängigkeit der Verstärkung so festgelegt, dass dominante Oberwellenanteile besonders stark gedämpft werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur Oberwellenunterdrückung bei wechselspannungsbetriebenen PTC-Heizern zu finden, die eine einfache und robuste Oberwellenunterdrückung gestattet, ohne dass Spannungsänderungen bei einer Heizleistungsänderung zu einer Überkompensation und unerwünschten Überschreitung der Klirrfaktorgrenzwerte führen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Verfahren zur Oberwellenunterdrückung bei wechselspannungsbetriebenen PTC-Heizern, bei dem ein im Strom vom PTC-Heizer erzeugter Oberwellenanteil, der dominierend die dritte Oberwelle des Heizstromes enthält, durch Überlagerung mit Korrektursignalen kompensiert wird, dadurch gelöst, dass eine Spannungsmodulation in einem seriell zum PTC-Heizer angeordneten Spannungsmodulator erzeugt wird, in dem ausschließlich der Momentanwert der Versorgungsspannung erfasst wird und ab einem durch einen Spannungseinsatzpunkt bestimmten Momentanwert der Versorgungsspannung als Spannungsmodulation eine definierte Amplitudendämpfung der sinusförmigen Versorgungsspannung zur Unterdrückung der dritten Harmonischen im Heizstrom des PTC-Heizers durchgeführt wird.
Vorteilhaft wird die Spannungsmodulation zur Unterdrückung der dritten Oberwelle des Heizstroms durch Amplitudendämpfung in den Scheitelbereichen der Versorgungsspannung als verzerrte Heizspannung des Laststromkreises moduliert. Dabei kann die Spannungsmodulation der Versorgungsspannung des Laststromkreises sowohl durch die Änderung des Dämpfungsgrades der Amplitudendämpfung als auch durch die Änderung des Spannungseinsatzpunktes der Amplitudendämpfung eingestellt werden. Zweckmäßig wird der Momentanwert der Versorgungsspannung des Laststromkreises in einem parallel zu einer Wechselspannungsquelle angeordneten Spannungssensor über Spannungsteiler und Komparatoren gemessen.
Des Weiteren wird die Aufgabe in einer Anordnung zur Oberwellenunterdrückung bei wechselspannungsbetriebenen PTC-Heizern, in der im Laststromkreis einer Wechselspannungsquelle ein PTC-Heizer angeordnet ist, dadurch gelöst, dass ein seriell zum PTC-Heizer angeordneter Spannungsmodulator (Verstärker) zur definierten Modulation der Heizspannung vorhanden ist, und dass der Spannungsmodulator zur Spannungsmodulation durch definierte Amplitudendämpfung der am PTC-Heizer wirksamen Heizspannung derart ausgebildet ist, um ausschließlich den Momentanwert der Versorgungsspannung zu erfassen und ab einem durch einen Spannungseinsatzpunkt bestimmten Momentanwert der Versorgungsspannung eine definierte Amplitudendämpfung der sinusförmigen Versorgungsspannung zur Unterdrückung der dritten Harmonischen des Heizstroms des PTC-Heizers unter einen vorgegebenen Grenzwert einzustellen.
Zur Erzeugung der modulierten Heizspannung sind im steuerbaren Spannungsmodulator zweckmäßig ein Spannungssensor parallel zur Wechselspannungsquelle und Mittel zur Steuerung des Spannungseinsatzpunktes angeordnet, wobei auf Basis einer Spannungsmessung infolge der modulierten Spannungssteuerung des Spannungsmodulators die dritte Oberwelle des Heizstromes des PTC-Heizers unter einen zulässigen Grenzwert unterdrückt wird. Es erweist sich ferner als vorteilhaft, dass zur Erzeugung der modulierten Heizspannung im steuerbaren Spannungsmodulator ein Spannungssensor parallel zur Wechselspannungsquelle und Mittel zur Steuerung des Dämpfungsgrades der definierten Amplitudendämpfung angeordnet sind, so dass auf Basis einer Spannungsmessung infolge der modulierten Spannungssteuerung des Spannungsmodulators die dritte Oberwelle des Heizstromes des PTC-Heizers unter einen zulässigen Grenzwert unterdrückt wird.
Die vorliegende Erfindung geht von der Grundüberlegung aus, dass eine Stromkompensation nach dem Stand der Technik ( DE 10 2007 012 699 A1 ) nur bei unveränderter Spannungsführung des PTC-Heizers zuverlässig zur Kompensation des Klirrfaktors führt. Da jedoch angepasste Stromkompensationsschaltungen für unterschiedliche Heizleistungen den Schaltungsaufwand enorm erhöhen, wird mit der Erfindung der Weg beschritten, die Dämpfung der dominanten dritten Oberwelle des PTC-Heizstroms durch eine Spannungssteuerung derart zu erreichen, dass die versorgende Sinusspannung des Heizers im Bereich des Spannungsscheitelpunktes gedämpft wird. Die Dämpfung des Klirrfaktors kann dann schaltungstechnisch durch den Spannungseinsatzpunkt und die Grad der Spannungsdämpfung eingestellt werden. Dies führt dazu, dass der entstehende Heizstrom im Bereich des Scheitelwertes gedämpft und damit die Entstehung der dritten Oberwelle stark unterdrückt wird. Durch Optimierung der Dämpfung ist es möglich, die zulässigen Grenzwerte für Oberwellenanteile nicht zu überschreiten und durch eine geringe Verzerrung der sinusförmigen Versorgungsspannung in der Dämpfungsschaltung die elektrischen Verluste klein zu halten.
Mit der Erfindung ist es möglich, für wechselspannungsbetriebene PTC-Heizer eine einfache und robuste Oberwellenunterdrückung zu realisieren, die auch bei Heizleistungsänderungen zu keiner Überkompensation führt und somit eine Überschreitung der Klirrfaktorschwellen vermeidet. Die Spannungsdämpfungsschaltung lässt sich einfach gestalten und ist wesentlich unempfindlicher gegenüber Schwankungen der Versorgungsspannung und damit robuster und zuverlässiger in der Klirrfaktorbegrenzung. Weiterhin sind die Verlustleistungen der Dämpfungsschaltung heizleistungsabhängig, so dass sich ein einfacheres Kühlungsdesign ergibt.
Somit steht mit der vorliegenden Erfindung gegenüber der bereits vorbekannten Stromkompensationsschaltung auf Basis der um 180° phasenverschoben eingespeisten dritten Oberwelle eine einfache Alternative zur Verfügung, mit der auch bei stark variierenden Heizleistungen die geforderten Grenzwerte für die Oberwellenanteile eingehalten werden können.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:
1: eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
2: ein Strom- und Spannungsschema zur Erläuterung des Verfahrens.
Die Anordnung zur Unterdrückung der Oberwellenstörungen von PTC-Heizern in einem Wechselstromnetz besteht – wie in 1 schematisch dargestellt – aus einer Wechselspannungsquelle 1, einem Laststromkreis 2, in dem ein PTC-Heizer 3 angeordnet ist, sowie einem zum PTC-Heizer 3 parallelen Steuerkreis 21, der über einen Spannungsmodulator 4 in Form eines Verstärkers die wirksame Heizspannung U₂ am PTC-Heizer 3 moduliert.
Die dargestellte Schaltung nach 1 ist ein Schaltungsbeispiel zur Realisierung einer Spannungsverzerrung, die eine sinusförmige Versorgungsspannung U₁ bei der Zuführung zum PTC-Heizer 3 im Bereich der Spannungsscheitelpunkte S dämpft und damit bewirkt, dass eine amplitudengedämpfte Heizspannung U₂ die den Klirrfaktor dominierende dritte Oberwelle des PTC-Heizstromes I₂ reduziert.
Die Dämpfung wird schaltungstechnisch durch Steuerung des Spannungseinsatzpunktes E und der Stärke der Spannungsdämpfung G mittels eines Spannungssensors 41, der einen Komparator und einen nachgeschalteten Spannungsteiler enthält, eingestellt. Die beiden Einstellparameter, Spannungseinsatzpunkt E und Spannungsdämpfung G, werden so gewählt und optimiert, dass der entstehende Heizstrom I₂ im Scheitelwert S so gedämpft und damit die Entstehung der dritten Oberwelle so stark unterdrückt wird, dass der Oberwellenanteil zu keinem Zeitpunkt den zulässigen Grenzwert (z. B. 5%) übersteigt. Der Transistor 42 hat dabei die Funktion eines Spannungsfolgers zur Ansteuerung des PTC-Heizers 3 mit der im Spannungsmodulator 4 (Verstärkerbaugruppe) erzeugten verzerrten Heizspannung U2. Dies geschieht so, dass der entstehende Heizstrom I₂ in seinem Scheitelbereich gedämpft und damit die Entstehung der dritten Oberwelle stark unterdrückt wird.
Der dabei ausgenutzte physikalische Zusammenhang ist in 2 aufgezeigt. In dem Diagramm ist neben einer reinen Sinusfunktion, die als gestrichelte Kurve A die Phase und Amplitude der idealen Versorgungsspannung U₁ darstellt, die als Strich-Punkt-Kurve C gezeichnete dritte Stromoberwelle dargestellt, die bei Anlegen der unverzerrten Sinusspannung U₁ auftritt und den Klirrfaktor des PCT-Heizers 3 dominiert.
Durch eine amplitudengedämpfte, aber im Wesentlichen sinusförmige, modulierte Heizspannung U2 des PTC-Heizers 3, die als gepunktete Kurve B dargestellt ist, kommt es zu einer deutlichen Dämpfung der dritten Stromoberwelle, wie sie als durchgezogene Kurve D dargestellt ist. Im Gegensatz zu der aus der DE 10 2007 012 699 A1 bekannten Strommodulation wird bei der erfindungsgemäß durchgeführten Spannungsmodulation durch partielle Amplitudendämpfung die dritte Stromoberwelle des PTC-Heizers 3 unterdrückt. Außerhalb der Nulldurchgänge wird die dritte Oberwelle zwar zu keiner Zeit wirklich Null, kann jedoch für jede Heizleistung des PTC-Heizers 3 zuverlässig unterhalb der vorgegebenen Grenzwerte des Klirrfaktors gehalten werden.
Wie aus 2 ersichtlich, kann die Amplitude der verbleibenden erzeugten dritte Oberwelle des Heizstromes I₂ (durchgezogene Kurve D) durch die Wahl des Spannungseinsatzpunktes E der Dämpfung und dem Dämpfungsgrad G eingestellt werden. Die Anpassung der Schaltung gemäß 1 an einen realen PTC-Heizer 3 besteht darin, mittels Variation der Einstellparameter, Spannungseinsatzpunkt E und Dämpfungsgrad G, die Spannungsdämpfung im Spannungsmodulator 4 so zu optimieren, dass die Oberwellenanteile im Heizstrom I₂ des PTC-Heizers 3 zuverlässig unterhalb eines vorgegebenen zulässigen Grenzwertes (bei Flugzeugen z. B. 5%) gehalten werden.
Es ist somit möglich, eine einfach modulierte Heizspannung U2 über einen seriell mit dem PTC-Heizer 3 im Heizstromkreis 2 liegenden spannungsmodulierten Verstärker (Spannungsfolgertransistor 42) so zu erzeugen, dass die Erzeugung der dritte Oberwelle des Heizstromes I₂ erheblich reduziert und dadurch eine zuverlässige Unterdrückung (Begrenzung) des Klirrfaktors erreicht wird.
Bezugszeichenliste

1: Wechselspannungsquelle
2: Laststromkreis
21: Steuerkreis
3: PTC-Heizer
4: Spannungsmodulator (Verstärker)
41: Spannungssensor
42: (Spannungsfolger-)Transistor
U₁: (sinusförmige) Versorgungsspannung
U2: (amplitudenmodulierte) Heizspannung
I₂: Heizstrom
A: (gestrichelte) Kurve (Versorgungsspannung U₁)
B: (gepunktete) Kurve (modulierte Heizspannung U2)
C: (Strich-Punkt-)Kurve (dritte Oberwelle in I₂ bei sinusförmiger U₁)
D: (durchgezogene) Kurve (dritte Oberwelle in I₂ bei modulierter U₂)
E: Spannungseinsatzpunkt
G: Dämpfungsgrad
S: Spannungsscheitelpunkt

Claims

Verfahren zur Oberwellenunterdrückung bei wechselspannungsbetriebenen PTC-Heizern, bei dem ein im Strom vom PTC-Heizer erzeugter Oberwellenanteil, der dominierend die dritte Oberwelle des Heizstroms (I₂) enthält, durch Überlagerung mit Korrektursignalen kompensiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Spannungsmodulation in einem seriell zum PTC-Heizer (3) angeordneten Spannungsmodulator (4) erzeugt wird, in dem – ausschließlich der Momentanwert der Versorgungsspannung erfasst wird und – ab einem durch einen Spannungseinsatzpunkt (E) bestimmten Momentanwert der Versorgungsspannung als Spannungsmodulation eine definierte Amplitudendämpfung der sinusförmigen Versorgungsspannung (U₁) zur Unterdrückung der dritten Harmonischen im Heizstrom (I₂) des PTC-Heizers (3) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsmodulation zur Unterdrückung der dritten Oberwelle des Heizstroms (I₂) durch Amplitudendämpfung in den Bereichen der Spannungsscheitelpunkte (S) der Versorgungsspannung (U₁) als verzerrte Heizspannung (U₂) des Laststromkreises (2) moduliert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsmodulation der Versorgungsspannung (U₁) des Laststromkreises (2) durch die Änderung des Dämpfungsgrades (G) der Amplitudendämpfung eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsmodulation der Versorgungsspannung (U₁) des Laststromkreises (2) durch die Änderung des Spannungseinsatzpunktes (E) der Amplitudendämpfung eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, der Momentanwert der Versorgungsspannung (U₁) des Laststromkreises (2) in einem parallel zu einer Wechselspannungsquelle (1) angeordneten Spannungssensor (41) über Spannungsteiler und Komparatoren gemessen werden.
Anordnung zur Oberwellenunterdrückung bei wechselspannungsbetriebenen PTC-Heizern, bei der im Laststromkreis einer Wechselspannungsquelle ein PTC-Heizer angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – ein seriell zum PTC-Heizer (3) angeordneter Spannungsmodulator (4) zur definierten Modulation der Heizspannung (U₂) vorhanden ist, und – der Spannungsmodulator (4) zur Spannungsmodulation durch definierte Amplitudendämpfung der am PTC-Heizer (3) wirksamen Heizspannung (U₂) derart ausgebildet ist, um ausschließlich den Momentanwert der Versorgungsspannung zu erfassen und ab einem durch einen Spannungseinsatzpunkt (E) bestimmten Momentanwert der Versorgungsspannung (U₁) eine definierte Amplitudendämpfung der sinusförmigen Versorgungsspannung (U₁) zur Unterdrückung der dritten Harmonischen des Heizstroms (I₂) des PTC-Heizers (3) unter einen vorgegebenen Grenzwert einzustellen.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der modulierten Heizspannung (U₂) im steuerbaren Spannungsmodulator (4) ein Spannungssensor (41) parallel zur Wechselspannungsquelle (1) und Mittel zur Steuerung des Spannungseinsatzpunktes (E) angeordnet sind, wobei auf Basis einer Spannungsmessung infolge der modulierten Spannungssteuerung des Spannungsmodulators (4) die dritte Oberwelle des Heizstromes (I₂) des PTC-Heizers (3) unter einen zulässigen Grenzwert unterdrückt wird.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der modulierten Heizspannung (U₂) im steuerbaren Spannungsmodulator (4) ein Spannungssensor (41) parallel zur Wechselspannungsquelle (1) und Mittel zur Steuerung des Dämpfungsgrades (G) angeordnet sind, wobei auf Basis einer Spannungsmessung infolge der modulierten Spannungssteuerung des Spannungsmodulators (4) die dritte Oberwelle des Heizstromes (I₂) des PTC-Heizers (3) unter den zulässigen Grenzwert unterdrückt wird.