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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zur Steuerung eines Schaltwandlers, der zumindest eine
Speicherinduktivität
und zumindest eine Speicherkapazität aufweist, bei welchem Leistung
von der Primärseite
zu der Sekundärseite
und umgekehrt durch gesteuertes Schalten zumindest eines Primärschalters
und zumindest eines Sekundärschalters übertragen
wird, wobei Tastverhältnis
und/oder Steuerzeiten und/oder Frequenz der Ansteuerpulse für die gesteuerten
Schalter in Abhängigkeit
von gemessenen Betriebsgrößen eingestellt
werden.
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Schaltwandler der gegenständlichen
Art sind in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt geworden.
Beispielsweise zeigt die
JP
2000333455 A einen bidirektionalen Schaltwandler für Gleichspannung.
Einen Gleichspannungs-/Wechselspannungswandler, der jedoch nur unidirektional
arbeitet, zeigt die
US 5,473,530 ,
in welcher auch erläutert
ist, wie an einem pulsweitenmodulierten Signal eine Wechselspannung
erzeugt werden kann. Eine direkte Umwandlung einer netzfrequenten
Wechseleingangsspannung in eine gleichfalls netzfrequente Wechselausgangsspannung
ist in der
GB 2 301
239 A beschrieben, wobei ein als Durchflusswandler ausgebildeter
Tiefsetzsteller ohne galvanische Trennung verwendet wird, welcher
mit hoher Schaltfrequenz arbeitet.
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Allen bisher bekannt gewordenen Schaltwandlerkonzepten
ist gemeinsam, dass sie eine starre Topologie hinsichtlich ihres
Regelverhaltens aufweisen. Dabei wird im Allgemeinen die Ausgangsspannung
auf einen konstanten Wert geregelt, d.h. sie wird mit einem Sollwert
verglichen, und die Abweichung beeinflusst meist das Tastverhältnis, ggf. auch
die Frequenz des Ansteuerpulses für die gesteuerten Schalter.
In manchen Fällen
zieht man auch die Eingangsspannung als Einflussgröße für den Regler
heran.
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Bei dem Entwurf eines Schaltwandlers
werden bestimmte Parameter, wie Taktfrequenz, maximales Tasiverhältnis, Steuerzeiten,
etc. festgelegt und dadurch eine stark eingeschränkte Trajektorie (Verbindung
möglicher
Systemzustände
im Zustandsraum). Deshalb ergibt sich in einem definierten Betriebszustand
genau ein möglichen
und erlaubter Systemzustand. Betriebszustände sind z.B. Eingangsspannung,
Ausgangsspannung, Last, wogegen Systemzustände z.B. Frequenz, Tastverhältnis, Steuerzeiten,
interne Strom- und Spannungsverläufe sind.
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Der Konstrukteur versucht beispielsweise die
geforderten Spezifikationen des Schaltwandlers mit möglichst
gutem Wirkungsgrad zu erfüllen
und dementsprechend werden die zu betrachtenden Parameter gewichtet.
Die daraus resultierenden Dimensionierungsgrößen unterscheiden sich nun
mit Sicherheit von jenen, die man erhielte, würde man den Schaltwandler – unter
außer
Acht lassen des Wirkungsgrades – auf
maximal übertragbare
Leistung entwerfen.
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Tatsächlich könnte ein auf optimalen Wirkungsgrad
dimerisionierter Wandler zeitlich begrenzt wesentlich mehr, oft
ein Vielfaches seiner Nennleistung, übertragen, doch kann diese
Möglichkeit
nicht ausgenutzt werden, da sie von der wirkungsgrad-optimierten
Systemkonfiguration nicht zugelassen wird.
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Eine Aufgabe der Erfindung liegt
somit in der Schaffung eines Verfahrens zur Steuerundg eines Schaltwandlers
bzw. eines solchen Schaltwandlers, bei welchem die genannten Probleme
beseitigt sind, wobei insgesamt eine erhöhte Flexibilität im Betrieb gewährleistet
sein soll.
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Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren
der eingangs genannten Art gelöst,
bei welchem erfindungsgemäß die Steuerung
mit Hilfe eines adaptiven Regelalgorithmus bei wahlweiser Verwendung
eines von zumindest zwei unterschiedlichen Regelmodellen durchgeführt wird
und die Auswahl des anzuwendenden Regelmodells in Abhängigkeit
von gemessenen und/oder aus Messwerten errechneten Betriebsgrößen erfolgt.
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Dank der Erfindung kann der Betrieb
entsprechend den Notwendigkeiten, welche durch Messung festgestellt
werden, automatisch nach dem gerade geeignetsten Regelmodell ablaufen.
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Praxisgerecht und einfach ist es,
wenn die Auswahl des anzuwendenden Regelmodells durch Vergleich
der gemessenen bzw. errechneten Betriebsgrößen mit vorgebbaren Vergleichsgrößen erfolgt.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn die
Vergleichsgrößen in Abhängigkeit
von weiteren gemessenen Betriebsgrößen wie Temperatur, Flussschichten,
etc. adaptiert werden, da hierdurch eine weitere flexible Anpassung
an die vorliegenden Betriebsumstände erfolgen
kann, Wenngleich eine größere Anzahl
unterschiedlicher Regelmodelle denkbar und möglich ist, wird es in den meisten
Fällen
zweckmäßig sein, wenn
ein Wirkungsgradmodell zur Optimierung des Wandler-Wirkungsgrades
sowie ein Leistungsmodell zur Optimierung der übertragenen Leistung angewendet
werden, wobei zumindest die Messtwerte von Spannung und Strom an
der Primär-
und an der Sekundärseite
bzw. daraus abgeleitete Größen zur Ermiittlung
der Modellauswahl herangezogen werden.
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Ein rascher Übergang auf einen zuverlässigen Stationärbetrieb
lässt sich
erreichen, wenn bei Auswahl des Wirkungsgrad-Regelmodells aus den Messgrößen der
primär-
und sekundärseitigen
Spannungen und Ströme
der Quotient aus Ausgangs- und Eingangsleistung als aktueller Wirkungsgrad
errechnet wird, der aktuelle Systemzustand durch Änderung
je einer der Steilgrößen der
Schalteransteuerung zyklisch gestört wird und durch Auswertung
der Systemreaktion auf die Änderung
der einzelnen Stellgrößen diese
an den höchstmöglichen
Wirkungsgrad herangeführt
werden. Dabei hat es sich als empfehlenswert erwiesen, wenn die
Stellgrößen der
Schalteranordnung Taktfrequenz und Steuerzeiten sind.
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Es ist weiters zweckmäßig, wenn
bei Auswahl des Leistungs-Regelmodells aus den Messwerten von Ausgangsspannung
und Ausgangsstrom die aktuelle Ausgangsleistung errechnet wird,
der aktuelle Systemzustand durch Änderung der Taktfrequenz zyklisch
gestört
wird und durch Auswertung der Systemreaktion auf diese Änderung
an die maximal übertragbare
Leistung herangeführt
wird. In diesem Fall ist es im Sinne eines raschen Erreichens eines stabilen
Betriebszustandes ratsam, wenn zur Regelung auf konstante Ausgangsspannung
das Tastverhältnis
geändert
wird.
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Die gestellte Aufgabe wird auch mit
einem Schaltwandler der zu Beginn erwähnten Art gelöst, welcher
erfindungsgemäß zur Durchführung des
Verfahrens nach der Erfindung mit seinen Varianten eingerichtet
ist.
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Bei einer praxisgerechten Variante
ist vorgesehen, dass je zwei Primärschalter und je zwei Sekundärschalter
in symmetrischer Anordnung vorgesehen sind. Dabei können zweckmäßigerweise
die Primär-
und Sekundärschalter
als Mosfets mit Inversionsdiode ausgebildet sein.
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Verringert kann der Schalteraufwand
werden, falls je ein gesteuerter bipolarer Primärschalter und Sekundärschalter
vorgesehen ist.
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Bei weiteren zweckmäßigen Varianten
ist vorgesehen, dass dem digitalen Signalprozessor Signale von Temperatwsensoren
zugeführt
sind. Dies kann für
den leistungsoptimierten Betrieb ebenso von Bedeutung sein, wie
eine Variante, bei welcher dem digitalen Signalprozessor das Signal
eines Flussdichtesensors des Übertragers
zugeführt
ist.
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Besonders bewährt sich die Erfindung auch bei
einem Sdlaltwandler, bei welchem die Primärspannung und die Sekundärspannung
Wechselspannungen sind.
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Die Erfindung samt weiterer Vorteile
ist im Folgenden anhand beispielsweiser Ausführungsformen näher erläutere, die
in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigen
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1 das
Prinzipschaltbild eines Schaltwandlers nach der Erfindung,
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1a vereinfacht
eine Variante mit bipolaren Schaltern,
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2 in
einem Diagramm vereinfacht einen möglichen Verlauf der Primärspannung
sowie der Ansteuersignale für
die gesteuerten Schalter,
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3 in
gedehnter Darstellung anhand der Signale von zwei gesteuerten Schaltern
Zeitgrößen, welche
für die
Erfindung von Bedeutung sind, und
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4 anhand
einer logischen Darstellung einen möglichen Ablauf des erfindungsgemeißen Verfahrens.
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Der Schaltwandler nach 1, hier ein Sperrwandler,
weist einen Übererager
UET mit einer Primärwicklung
WP und einer Sekundärwicklung WS auf.
Primärseitig
liegt in den Verbindungsleitungen, von einer Primärspannung
UP zu der Primärwicklung WP je
ein gesteuerter Primärschalter
S1, S2. Parallel zu der Primärspannung
UP liegt ein Kondensator CP. Sekundärseitig
liegt ein völlig
gleicher Aufbau mit zwei Sekundärschalter
S3, S4 in den Verbindungsleitungen zwischen Sekundärwicklung
WS und Sekundärsparnung US und
mit einem Kondensator CS vor.
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Die gesteuerten Schalter S1,...,
S4 können bekannte
Halbleiterschalter sein, insbesondere Mosfets mit Inversdioden.
Sie werden von einer Steuerung STE angesteuert, welche die eigentliche
Ansteuerschaltung AST enthält,
die in Verbindung mit einem digitalen Signalprozessor DSP arbeitet.
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Der Steuerung STE werden eine Anzahl
von gemessenen Betriebsgroßen
zugeführt,
die je mit A/D-Wandlern für
den Signalprozessor DSP aufbereitet werden. Bei dein gezeigten Ausführungsbeispiel
handelt es sich um folgende Größen: Primärstrom IP, Primärspannung
UP, Sekundärspannung US,
Sekundärstrom
IS. Die Ströme und Spannungen werden von
Strom- bzw. Spannungssensoren ISP, USP, USS, ISS erfasst. Weiters
eine den Primärschaltern
S1, S2 und den Sekundärschaltern
S3, S4 zugeordnete Temperatur ∂1
bzw. ∂2,
die mit Hilfe von Temperatursensoren TSP, TSS z.B. an Kühlkörpern gemessen
werden, die Umgebungstemperatur ∂3, für welche
ein Temperatursensor TSU vorgesehen ist, gegebenenfalls eine dem
(Übertrager
UET zugeordnete Temperatw ∂4,
die von einem Temperatursensor TST, z.B. an einer Wicklung, erfasst
wird und die magnetische Flussdichte B, die ein Flussdicheesensor
FSS, z.B. in einem Luftspalt des Übertragers UET, erfasst. Wo
aus Gründen
der Potentialtrennung erforderlich, werden in bekannter Weise hier
nicht gezeigte Mittel, wie Optokoppler oder Übertrager, eingesetzt.
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2 zeigt
schematisch, dass bei Einsatz von bipolaren Schaltern auch mit lediglich
zwei Schaltern SP, SS das
Auslangen gefunden werden kann. Auch anderen Varianten, die dem
Fachmann bei Schaltwandlern bekannt sind, wie z.B. Wicklungen mit
Mittelanzapfung, sind verwendbar.
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Bevor auf die Besonderheiten der
Steuerung eingegangen wird, sei unter Zuhilfenahme auch der 2 und 3 das Arbeitspririzip des Schaltwandlers erläutert. Dez
Wandler gestattet einen bidirektionalen Betrieb als Wechselsparunungs/Wechselspannungs-Konverter,
ebenso wie als Gleichspannungs/Gleichspannungs-Konverter. Die in 1 eingezeichneten Spannungsquellen
US und US sind daher
je nach Energierichtung als Spannungsquelle oder als Last zu sehen,
was durch strichlierte Lastwiderstände angedeutet ist.
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Die beiden Primärschalter S1, S2 werden von
der Ansteuerschaltung AST so angesteuert, dass sie gegengleich schalten,
d.h, zu jedem Zeitpunkt ist entweder mindestens ein primärer oder
mindestens ein sekundärer
Schalter geschlossen und die gegenüberliegenden Schalter sind
jeweils geöffnet.
Für Wechselspannungs/Wechselspannungsbetrieb
ist dies in 2 veranschaulicht.
Die Impulse können
dabei entsprechend einer Sinuskurve hinsichtlich ihrer Dauer moderiert
sein, was nach dem Stand der Technik bekannt ist, doch ist dies
nicht zwingend erforderlich.
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Unter Bezugnahme auf 3 werden nun weitere Größen erläutert, welche
als Stellgrößsen während des
Betriebes in Abhäzigigkeit
von gemessenen Betriebsgrößen geändert werden. 3 zeigt die Schaltzustände eines
Primärschalters
S1 und des zugehörigen
Sekundärschalters
S3. Dabei ist T die Periodendauer, und dementsprechend f = 1/T die Prequenz
der Ansleuerpulse. Mit tB ist die Einschaltzeit
bezeichnet, sodass sich das Tastverlrältrüs als tB/T
ergibt.
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Zur Regelung auf konstante Ausgarigsspannung
wird i.a. das Tastverhältnis
TB/T über
einen entsprechenden Regelkreis geändert, gegebenenfalls kann
auch die Frequenz f geändert
werden.
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Neben Frequenz und Tastverhältnis sind aber
auch die Steuerzeiten der einzelnen Schalter S1,..., S4 von Bedeutung,
das sind die Abweichungen der Einschalt- bzw. Ausschalt-Zeitpunkte vor dem
Takt T bzw. der Einschaltzeit tE. Durch
geeignete Wahl dieser Steuerzeiten müssen in bekannter Weise kurzschlissähnliche
Zustände
vermieden werden, anderer seits kann durch Änderung der Steuerzeiten, eine
Optimierung des Betriebes, z.B. im Sinne einer Kompensation von
Abweichungen der Schaltverzögerungen
der einzelnen Schalter S1, ..., S4 erzielt werden.
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Die Erfindung sieht nun insbesondere
vor, dass in der Steuerung STE ein adaptiver Regelalgorihinus implementiert
ist, der wahlweise eines von mehreren Regelmodellen verwendet, wobei
die Auswahl des jeweiligen Regelmodells in Abhängigkeit von gemessenen Betriebsgrößen, wie
primär/sekundärseitigen
Spannungen und Strömen,
Temperaturen oder Flussdichte und in Abhängigkeit von aus diesen Messwerten
errechneten Betriebsgrößen, z.B.
Eingangs- und Ausgangsleistung, erfolgt.
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Wie bereits eingangs erwähnt, kann
ein üblicherweise
angewendetes Regelmodell ein Wirkungsgradmodell sein, welches zur
Optimierung des Wandlerwirkungsgrades, d.h. des Verhältnisses
von Ausgangs- zu Eingarigsleistung, verwendet wird. Bei einem Leistungsfluss
von der Primäx-
zur Sekundärseite
wird dabei versucht, das Verhältnis η = PS/PP möglichst
nahe an 1 zu bringen.
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Ein anderes, in der Praxis sinnvolles
Modell ist ein Leistungsmodell. Hier soll eine Regelung auf möglichst
hohe Ausgangsleistung, natürlich
unter Berücksichtigung
bestimmter Grenzen diverser Betriebswerte, wie z.B. Temperatur-
der Halbleiterschalter, erfolgen.
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Andere Regelmodelle sind gleichfalls
einsetzbar, z.B. eines auf möglichst
sinusförmige
Stromaufnahme, möglichst
hohe Ausfallssicherheit, etc., doch werden in dem nachstehend beschriebenen Beispiel
lediglich zwei Regelmodelle, nämlich
ein Wirkungsgradmodell und ein Leistungsmodell betrachtet, wozu
nun auf 4 verwiesen
wird.
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Gemäß 4 werden dem digitalen Signalprozessor
DSP über
die A/D-Wandler die folgenden Messwerte von Betriebsgrößen zugeführt, wobei
die Aufzählung
nur beispielhaft, aber nicht notwendigerweise vollständig ist:
Die Primärspannung
UP, der Primärstrom IP,
die Sekundärspannung
US, der Sekundärstrom IS,
die Flussdichte B sowie zwei Temperaturwerte ∂1, ∂2 .
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Aus den abgetasteten Werten von Primärspannung
US und Primärstrom IS wird
durch Multiplizieren – angedeutet
durch einen Multiplikator MP – die Augenblicksleistung
errechnet und durch deren Mittelung die Momentanleistung PP. Sinngemäß gleiches gilt für die Sekundärspannung
US und dem Sekundärstrom IS mit
dem zugeordneten Multiplikator Ms. Mit LP1 und LP2 sind Tiefpassfilter
bezeichnet„ welche
aus den Augenblickswerten Mittelwerte bilden. Durch Division wird
der Wirkungsgrad η =
PS/PP errechnet.
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Weiters wird die Ableitung der Fülgangsspannung
nach der Zeit, dUP/dt berechnet und ebenso
die zeitliche Änderung
der Ausgangsleistung dPs/dt. Die Sekundärspannung US wird
mit einem Sollwert USS verglichen woraus
sich eine Regelabweichung ΔUS für
die Einstellung des Tastverhältnisses
ergibt. Für
den weiter unten beschriebenen und in 4 rechts
dargestellten Vergleich der Betriebsgrößen werden Vergleichsgrößen K1...,
K4 benötigt, die
im allgemeinen jedoch nicht konstant sind, sondern in Abhängigkeit
von anderen Betriebsgrößen adaptiert
werden. In 4 ist links
ein Vergleichsgrößenspeicher
VGS gezeigt, der die Vergleichsgrößen K1,..., K4 enthält, welche
hier in Abhängigkeit
von der Flussdichte B und zwei Temperaturwerten geändert werden,
Beispielsweise wird die Vergleichsgröße K3 für die Ausgangsleistung PS von der Temperatur der Halbleiterschalter
und/oder des Übertragers
abhängig
gemacht, Wie in 4 rechts
dargestellt, wild bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Primärspannung
UP mit der Größe K1 verglichen, weiters die
zeitliche Änderung
der Primärspannung
UP mit einer Vergleichsgröße K2, sodann
die Momentanleistung PS mit einer Größe K3 und
die zeitliche Änderung
dieser Momentanleistung PS mit einer Größe K4. Sofern
die genannten Vergleiche alle positiv ausfallen, wird das Wirkungsgradmodell
gewählt,
anderenfalls, d.h. wenn einer dieser Vergleiche negativ ausfällt, geht
man auf das Leistungsmodell über.
Auf jeden Fall wird von beiden Modellen das Tastverhältnis beeinflusst
und gegebenenfalls auch die Steuerzeiten Δt1e, Δt1a,..., Δt4e, Δt4a. Das Tastverhältnis wird
natürlich
auch, was oben angesprochen wurde, von der Ausgangsspannungsabweichung ΔUS bestimmt.
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An dieser Stelle sei angemerkt, dass
der Einfachheit halber ein Betrieb beschrieben wird, bei welchem
Leistung von der Primärseite
nach der Sekundärseite
geliefert wird, doch kann, da ein bidirektional arbeitender Wandler
vorliegt, auch der umgekehrte Fall eintreten, nämlich Leistungslieferung von
der Sekundärseite
nach der Primärseite.
In diesem Fall müssen
die entsprechenden Größen berücksichtigt werden,
beispielsweise auch der Umstand, dass sich der Wirkungsgrad dann
aus dem Verhältnis
der Primärleistung
durch die Sekundärleistung
ergibt.
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Bei der Regelung zur Wirkungsgxadoptimierung,
d.h. der Auswahl des Wirkungsgradmodells, werden, von einem aktuellen
Systemzustand ausgehend, die zu beeinflussenden Ausgangsgröße zyklisch
ablaufenden, definierten Störungen
unterworfen. Die dadurch auftretende Systemreaktion wird erfasst
und mit der (bekannten) Stärung
korreliert, wodurch die Sensibilitätsfunktion des Schaltwandlers hinsichtlich
der beeinflussbaren Ausgangsgrößen ermittelt
wird. Die Kenntnis dieser Funktion ermöglicht die Festsetzung des nächsten Störungswertes,
welcher das System wieder ein Stückchen
näher zum angestrebten
Wirkungsgiadoptimum. bringt.
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Betrachtet man beispielsweise als
Stellgröße die Frequenz
f, so wird bei einer aktueIlen Frequenz, z.B. 100 kHz, der Wirkungsgrad
ermittelt. Nun wird die Frequenz marginal erhöht, z.B. auf 102 kHz, und alle
anderen Stellgrößen werden
ungeändert
gelassen Nach hinreichender Erholzeit wird der aktuelle Wirkungsgrad
wiederum gemessen. Hat er sich erhöht, so bleibt 102 kHz die aktuelle
Taktfrequenz f, ist er gefallen, wird er auf 98 kHz zurückgestellt.
Der Frequenzwert mit dem größten Wirkungsgrad
bestimmt nun die aktuelle Taktfrequenz. In gleicher Weise wird zyklisch
mit den übrigen
Stellgrößen verfahren.
Es wird somit immer eine der Größen gestört und die
Reaktion des Systems auf diese Störung ausgewertet. Sind alle
Stellgrößen abgearbeitet,
so wird ein neuer Durchlauf gestartet.
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Wenn man den Stellgrößen sinnvolle Schranken
auferlegt, so lasst sich ein zuverlässiger Stationärbetrieb
gewährleisten,
in dem der Regelalgorithmus des Wandlers selbstständig die
Summe aller anfallenden Verluste minimiert.
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Aus verschliedenen Gründen kann
es während
des Betriebes wünschenswert
sein, dass der Schaltwandler eine möglichst hohe Ausgangsleistung
abgibt, die, wie bereits eingangs erwähnt, auch ein Vielfachs der
Nennleistung sein kann. Wenn ein solcher Betriebszustand erfasst
wird (siehe 4, rechts),
erfolgt die Regelung über
das Leistungsmodell, bei welchen als Eingangsgrößen die Ausgangsspannung und
der Ausgangsstrom, US und IP,
die Eingangs(Primär)spannung
UP, die Flussdichte B und verschiedene Temperaturen ∂1, ∂2 in Frage
kommen. Als Stellgröße wird
in diesem Fall vorzugsweise nur die Frequenz f verwendet. Es wird
der Momentanwert der Ausgangsleistung ermittelt, wobei optional
die Flussdichte und verschiedene Temperaturwerte zur Aktualisierung
der augenblicklichen Schranken herangezogen werden. Auch hier wird
die Schaltfrequenz f des Schaltwandlers an die zur Maximierung der übertzagbaren
Leistung notwendige Frequenz herangeführt. Die Überschneidung der Steuerzeiten wird
hier vorzugsweise in definiertem Verhältnis zur Gesamtperiodendauer
T fest eingestellt, Es sei erwähnt,
dass der Algorithmus zur Regelung auf maximale Leistung, verglichen
mit der Wirkungsgradoptimierung, eine deutlich höhere Dynamik aufweist, d.h, die
Durchlaufzeiten des Programms zur Leistungsoptimierung liegen hier
um zwei bis drei Größenordnungen
unterhalb der Durchlaufzeiten des Programms zur Wirkungsgradoptimierung.
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Bei Verwendung bipolarer Schalter,
d.h. von Schaltern, die unabhängig
von der Stromrichtung schalten, kann man die Schaltung auch vereinfachen,
was in 1a angedeutet
ist 1a stellt einen
Ausschnitt aus 1 dar,
wobei aber primär- und
sekundärseitig
lediglich ein einziger bipolarer Schalter SP,
SS verwendet wird. Die nach oben führenden
Leitungen stehen – wie
bei 1 – mit der Steuerung
STE in Verbindung.
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Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene weitere,
teils angedeutete Varianten möglich,
welche einerseits die Art des Regelmodells und andererseits die
verwendeten Betriebs- und Stellgrößen betreffen. Auch die Auswahlkriterien
für die
Programme werden je nach den Gegebenheiten von dem Fachmann zu wählen sein.