DE4446778C2 - Mittelfrequenz-Serienschwingkreis-Brückenwechselrichter zur Speisung eines Wechselspannungsbordnetzes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Mittelfrequenz-Serienschwingkreis- Brückenwechselrichter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Wechselrichter ist aus Ray B. und Start T. A.: "An Analysis of N Schwarz Inverters Driving a Common AC Bus" in: Power Electronics Specialists Conference, 1987 Records, S. 244-252, bekannt. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß immer ein Verbraucher mit einer Grundlast vorhanden sein muß.

Aus der DE-PS 20 09 582 ist eine Schaltungsanordnung zum Schutze vor Überspannungen für Wechselrichter zur Versorgung von Bordnetzen bekannt. Zur Spannungsüberwachung ist eine Drehstrombrückenschaltung aus ungesteuerten Dioden an die Phasen des Bordnetzes angeschlossen, deren Ausgangssignal alle Thyristoren der Drehstrombrückenschaltung gleichzeitig zündet und wobei das Ausgangssignal der Stromüberwachungseinrichtung einen Schalter öffnet, so daß der Verbraucher im Fehlerfall abgeschaltet ist. Die Dioden der Gleichrichterbrücke befinden sich stets im leitfähigen Zustand. Eine Rückspeisung des Stromes findet nicht statt.

Aus der DE 39 35 868 C2 ist ein Verfahren zum Betrieb eines gesteuerten Rückarbeitsstromrichters bekannt. Dieser arbeitet mit einem ungesteuerten, mindestens 12pulsigen Gleichrichter antiparallel zusammen. Dabei ist ein Gleichspannungszwischenkreis vorgesehen, wobei die Pulszahl des ungesteuerten Gleichrichters höher ist als die des gesteuerten Stromrichters und wobei zwischen Wechselrichterbetrieb und Gleichrichterbetrieb unterschieden wird.

Der Erfindung liegt daher, ausgehend vom Stand der Technik gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Maß­ nahmen eine konstante Spannung in einem weiten Bereich von Impedanzen verschiedenartiger Verbraucher zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufge­ führten Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Vorteile der Erfindung sind die universelle Anwendbarkeit des Stromrichters und der dadurch mögliche modulare Schaltungsaufbau.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild des erfindungsgemäßen Wechselrichters für Bordnetze;

Fig. 2 den Strom- und Spannungsverlauf am Schwingkreis;

Fig. 3 ein Schaltbeispiel für Elektrofahrzeuge;

Fig. 4 eine Schaltung für eine Kombination von Motor und Generator;

Fig. 5 eine Ausführung in Halbbrückenschaltung mit einem Steuergerät;

Fig. 6 eine Ausführungsform der Vollbrücke mit Streutransformator;

Fig. 7 eine Halbbrückenschaltung mit Streutransformator und

Fig. 8 eine schematische Ansicht eines Streutransformators.

Die Eingangsgleichspannung U_E wird, wie in Fig. 1 gezeigt, zunächst einmal in der Frequenz heraufgesetzt. Dies geschieht in den gesteuerten Leistungshalbleitern T1 bis T4. Die Ansteuerung dieser Transistoren geschieht durch eine Frequenz, welche mit den Serienschwingkreisen L1/C1 und L2/C2 in Resonanz ist. Die Spannung U_E wird also in eine Spannung mit höherer Frequenz auf dem Netz N vorhanden sein.

In Fig. 2 ist die geschaltete Spannung U₁ zusammen mit dem Strom i_L1 dargestellt. Der Strom i_L1 und die Spannung U₁ werden hinter den Wechselrichterventilen T1-T4 bzw. D1-D4 gemessen.

Neben der Vollaussteuerung kann man die Spannung U₁ durch Variation der Einschaltdauer positiver und negativer Spannungsanteile auch kleiner machen. Die rechteckförmige Spannung U_N kann niemals größer sein als U₁ oder U_E, die Eingangsgleichspannung, da sie durch die Dioden DR1 bis DR4 be­ grenzt wird. Durch den Schwingkreis L1/C1 und L2/C2 wird der Strom i_L1 sinusförmig. Als Vorteil ergibt sich eine gute elektromagnetische Verträglichkeit. Die rechteckförmige Spannung U_N ist - ein weiterer wesentlicher Vorteil - konstant und eine Regelung der Spannung U_N ist nicht erforderlich. Es können in einem weiten Bereich Verbraucher mit beliebiger Impedanz zugeschaltet werden. Außerdem würde bei einem Lastabwurf die Spannung U_N ohne die Dioden DR1-DR4 beliebig ansteigen können. Da aber dann der Strom über die Dioden fließt, kann dies nicht geschehen. Die Dioden DR1-DR4 haben in diesem Falle die Funktion von Freilaufdioden.

Die Spannungsebenen in einem Bordnetz nach der Erfindung sollen so gewählt werden, daß ein besonderer Berührungsschutz nicht erforder­ lich ist. Maximal zulässig ist eine Gleichspannung von 60 V und bei einer Wechselspannung von 30 kHz eine maximale Spannung von 87,5 V_eff. Aus diesen Gründen erscheint die Verwendung von Mittelfrequenz sinnvoll.

Mit 60-70 V kann man Scheibenwischermotoren und ähnliches auch mit gutem Wirkungsgrad betreiben. Die Leitungsquerschnitte können bei einer solchen Spannung bereits stark reduziert werden. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß für jeden Verbraucher eine sehr leichte Spannungsanpassung durchgeführt werden kann.

Insgesamt hat das Bordnetzkonzept folgende Vorteile:

• - gute elektromagnetische Verträglichkeit,
• - hoher Wirkungsgrad des Einspeisestromrichters,
• - hohe Spannungskonstanz auch unter Lastwechsel,
• - Regelmöglichkeit des Ausgangsstromes für den Kurzschlußfall,
• - günstige Kosten,
• - der Stromrichter 1 kann auch Blindleistung liefern.

Beispiel 1

In Fig. 3 ist ein Anwendungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Brückenwechsel­ richter 1 dargestellt. Dieser Wechselrichter ist im rechten Teil der Fig. 3 dargestellt und entspricht dem Wechselrichter 1 in Fig. 1. Die Eingangs­ spannung U_E wird durch die Traktionsbatterie TB geliefert. Diese Batte­ rie arbeitet zunächst auf einen Primärstromrichter 3. Dieser Stromrichter ist erforderlich, da der Wechselrichter 1 mit Mittelfrequenz arbeitet. Aus Sicherheitsgründen muß eine weitere Pufferbatterie PB vorhanden sein. Diese Pufferbatterie PB versorgt das Mittelfrequenznetz auch dann, wenn die Traktionsbatterie TB die Energieversorgung nicht ge­ währleisten kann. Auch diese Batterie ist über einen kombinierten Hoch­ setz-Tiefsetzsteller und gesteuerten Gleichrichter als Modul "Batteriestromrichter 2" mit Primärstromrichter 3 und Wechselrichter 1 verbunden. Dazwischen ist noch ein Glättungskondensator C geschal­ tet. Die Mittelfrequenz wird über einen Transformator TR den Verbrau­ chern zugeführt. Die Mittelfrequenzspannung kann z. B. auf 60 Volt herabgesetzt und den Verbrauchern zugeführt werden.

Beispiel 2

Für den Einsatz in konventionellen Fahrzeugen wird die Traktions­ batterie TB (siehe Fig. 3) entfallen können und durch die Kombi­ nation Starter/Generator mit zugehörigem Stromrichter ersetzt.

Fig. 4 zeigt den Prinzipschaltplan des Systems. Dabei ist das System Starter/Generator eine Einheit mit hohem Wirkungsgrad, welcher durch die hohe Zwischenkreisspannung bedingt ist. Das gesamte System wird als gemeinsamer Elektronikmodul aufgebaut und besitzt einen geringen Verdrahtungsaufwand. Für den Batteriestromrichter 2 wäre es sinnvoll, eine höhere Batteriespannung mit einer entsprechend geringen Entlade­ stromstärke zu wählen. Ein Vorteil, der bei der hier vorgeschlagenen Lösung immer wieder ins Spiel kommt, ist die geringe zu steuernde Stromstärke, was besonders bei den Halbleitern zu geringen Kosten bzw. einer hohen Lebensdauer führt. Der Strom beträgt im Zwischenkreis höchstens 5 bis 6 A. Da bei 12 V ein Strom bis zu 150 A fließen würde, und die Verluste an der Gleichstrommaschine entsprechend hoch sind, verfügt ein solches System über einen demgegenüber wesentlich höheren Wirkungsgrad und verlängert die Lebensdauer der Fahrzeugbatterie.

Aus Fig. 3 und Fig. 4 ist zu erkennen, daß die verschiedenen Fahr­ zeugtypen mit Schaltungen in Modulbauweise ausgerüstet werden. Das ist ein weiterer Vorteil, der insbesondere für die Wirtschaftlichkeit dieser Lösung spricht.

Der bisher beschriebene Stromrichtertyp kann als Reihenschwingkreis- Stromrichter mit zweipulsigem Rückarbeitsgleichrichter bezeichnet werden.

Beispiel 3

In Fig. 5 ist ein Steuergerät St dargestellt, welches aus dem gemessenen Strom I, welcher in den Mittelfrequenztransformator TR fließt und der Spannung U, welche an der Traktionsbatterie TB anliegt, Signale ableitet, welche die Transistoren der Halbbrücke T1 und T2 ansteuern.

Die Schaltbrücke ist hier nur als Halbbrücke ausgeführt, was ebenso möglich ist wie die Vollbrücke, nur braucht man zusätzlich noch zwei Speicherkondensatoren C, welche einen kapazitiven Spannungsteiler bilden. Die im Schwingkreis entstehende Mittelfrequenz wird durch den Transformator TR auf das Netz N übertragen, welches hier nicht dargestellt ist. Bei der symmetrischen Vollbrücke nach Fig. 1 oder 4 hat man zwei Zweige, die jeweils positiv oder negativ schalten.

Bei der Halbbrücke hat man den Vorteil, daß der Aufwand an Transistoren nur halb so groß ist. Bei gleicher Leistung ist der Strom durch die Halbleiter allerdings doppelt so groß. Der Nachteil gegenüber der Vollbrückenschaltung ist die schlechtere Regelbarkeit. Die Vollbrücke im Wechselrichter 1 kann in jedem der hier aufgeführten Beispiele durch eine Halbbrückenschaltung ersetzt werden.

Die bisher behandelten Schaltungen funktionieren nur mit einem streuarmen Transformator, der sehr aufwendig zu fertigen ist. Wenn der Transformator nicht extrem streuarm ist, muß man zu besonderen Maßnahmen greifen.

Beispiel 4

Der Transformator TR wird entsprechend der Fig. 6 und 8 folgender­ maßen abgeändert: Er erhält drei Wicklungen, die Primärwicklung W1, die Sekundärwicklung W2 und eine Wicklung W3, welche auf die Wicklung W2 mit sehr geringem Abstand aufgebracht ist, so daß die magnetische Kopplung zwischen diesen beiden Wicklungen sehr eng ist. Zum gezielten Einstellen der Streuung wird ein weiterer Kern K2 hinzugenommen, welcher über einen variablen Luftspalt δ an den Hauptkern K1 gekoppelt ist. Der Hauptfluß Φ_H durchsetzt alle drei Wicklungen, wobei der Streufluß Φ_S nur durch den Kern K2 geht. L_S ist die Reiheninduktivität für den Serienschwingkreis. Der Vorteil ist der, daß man keine aufwendige Spule benötigt. Die Klemmwicklung besteht lediglich aus sehr dünnem Kupferdraht, der thermisch nur für die Rückarbeitsleistung ausgelegt ist. Es ist magnetische Energie im Streufluß gespeichert, welche nicht mit dem Hauptfluß verknüpft ist. Dadurch wird die Induktivität L′ im Reihenschwingkreis von Fig. 5 dargestellt.

Im linken Teil der Fig. 6 ist ein Batteriestromrichter 2 gezeichnet. Bei Ausfall der Traktionsbatterie TB wird das Mittelfrequenznetz über den Batteriestromrichter 2 aus der Pufferbatterie PB gespeist. Damit können im Notfall wichtige Funktionen aufrecht erhalten werden. Der Batteriestromrichter 2 kann Energie in beiden Richtungen transportieren. Einmal wird aus der Pufferbatterie PB Energie entnommen, in einen hochfrequenten Wechselstrom umgewandelt und über den Transformator TR zu den Verbrauchern geschaltet. Der Wechselrichter 1 hat die Aufgabe, die Spannung U_N als Rechteckspannung zu formen. Er läuft immer mit, um die Regelung der Mittelfrequenzspannung sicherzustellen.

Wenn der Batteriestromrichter 2 Energie ins Netz speist, wird im Wechselrichter 1 eine Rechteckspannung konstanter Amplitude erzeugt. Die Spannungszeitflächen vor und hinter dem Wechselrichter müssen gleich sein.

Die Batteriespannung U (PB) hingegen schwankt. Man muß den Wechselrichter 1 geregelt betreiben, damit man die Möglichkeit hat, das Mittelfrequenznetz N auf konstanter Spannung zu halten. Dazu werden die Kondensatoren- Puffer des Wechselrichters auf konstante Spannung geregelt. Die Energie kann im Fehlerfall über die Hauptwicklung W3 des Transformators geschickt werden. Im Normalfall, d. h., wenn die Traktionsbatterie TB in Ordnung ist, dient der in der Fig. 6 ganz links dargestellte Ladekreis mit dem Primärstromrichter 3 nur dazu, die Pufferbatterie PB zu laden.

Beispiel 5

Fig. 7 zeigt eine Halbbrückenschaltung in der Ausführungsform mit Streutransformator. Bezüglich der Halbbrückenschaltung gilt das zu Fig. 5 gesagte. Die Funktion des Streutransformators ist zu dem in Beispiel 4 gesagten analog.

Der erfindungsgemäße Mittelfrequenz-Serienschwingkreis-Brückenwechselrichter ist für den Einsatz in der Spannungsversorgung der Traktion in einem Elektrofahrzeug geeignet. Ebenso kann er als Stromrichter zur Versorgung einer Kombination aus einer Starter/Generatormaschine in einem Fahrzeug verwendet werden.

Claims (8)

1. Mittelfrequenz-Serienschwingkreis-Brückenwechselrichter zur Speisung eines Wechselspannungsbordnetzes, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Schwingkreises mit dem Eingang einer als Spannungsbegrenzung arbeitenden Dioden- (DR1 bis DR4) Gleichrichterbrücke verbunden ist, deren Ausgang parallel zum Eingang des Wechselrichters geschaltet ist, wobei die Dioden (DR1 bis DR4) im Speisebetrieb nicht leiten und die Dioden (DR1 bis DR4) dann leiten, wenn ein Verbraucher Energie zurückspeist oder bei einem Lastabwurf die in einem Speicher (C1, C2, L1, L2) des Schwingkreises gespeicherte Energie der Gleichstromquelle bzw. dem Eingang des Wechselrichters zugeführt wird.

2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittelfrequente Ausgangsspannung des Schwingkreises durch einen Transformator (TR) mit einem Faktor 5 bis 40 herabtransformiert wird.

3. Wechselrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (TR) als Streutransformator (TS) ausgebildet ist.

4. Wechselrichter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Streutransformator (TS) außer einer Primärwicklung (W1) und einer Sekundärwicklung (W2) eine Klemmwicklung (W3) aufweist, die mit geringem Abstand auf die Sekundärwicklung (W2) aufgebracht ist.

5. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er in Halbbrückenschaltung ausgeführt ist.

6. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er in Vollbrückenschaltung ausgeführt ist.

7. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Wechselspannungsbordnetz zur Ladung einer Traktionsbatterie benutzt wird.

8. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Leistungselektronik und Bordnetz galvanisch getrennt sind.