DE1804429A1

DE1804429A1 - Gleichstromuebertrager mit variablem UEbersetzungsverhaeltnis

Info

Publication number: DE1804429A1
Application number: DE19681804429
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Andreas Boehringer
Original assignee: Dornier System GmbH
Current assignee: Dornier System GmbH
Priority date: 1968-10-22
Filing date: 1968-10-22
Publication date: 1970-05-14
Also published as: CH489138A; JPS492687B1; GB1267242A; US3569817A; DE1804429C3; DE1804429B2; FR2021268A1

Description

GleichstromUbertrager mit variablem Übersetzungsverhältnis

Die Erfindung betrifft einen Gleichstromübertrager mit variablem Übersetzungsverhältnis. Solche Übertrager sind zum Beispiel dann erforderlich, wenn eine veränderliche und während des Betriebes Schwankungen unterworfene Generator-Gleichspannung an eine konstante Verbraucherspannung anzupassen ist.

Da Gleichstrom sich nicht ohne weiteres hochtransformieren läßt, muß erst eine Umformung stattfinden. Hierzu werden zum Beispiel Motor-Generator-Systeme verwendet. Ihr Einsatz ist aber'praktisch nur für höhere Leistungen zweckmäßig. Nicht aber dann, wenn es sich um kleinere elektrische Leistungen handelt.^Ferner sind diese Systeme schwer und unhandlich und erfordern vor allen Dingen laufende Wartung. Eine andere bekannte Methode der Gleichstromübertragung besteht darin, den Primärstrom zu zerhacken und den zerhackten Strom wie Wechselstrom hochzutransformieren und anschliessend wieder gleichzurichten. Diese Übertrager gestatten aber nicht ohne weiteres, das Übersetzungsverhältnis in einfacher Weise zu verändern.

Ein bekannter Gleichstromübertrager ist der sogenannte Einwicklungssperrwandler. Bei ihm kann die Gleichstrom-Energie auf eine andere Spannung transformiert werden, in dem vom Generator zunächst eine Drossel mit magnetischer Energie aufgeladen wird. Hierzu wird durch eine Umschaltung erreicht, daß die Drossel ihre gespeicherte Energie mit anderer Spannung an einen Verbraucher ab-

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gibt. Die Drossel kann dabei länge oder quer zwischen die Adern der Verbindungsleitung zwischen Generator und Verbraucher eingeschaltet sein. In beiden Fällen sind zwei Schalter erforderlich, die abwechselnd den Strom zur und von der .,Drossel fließen lassen bzw. sperren. In Weiterbildung dieser Schaltung kann der die Verbindung zwischen Drossel und Verbraucher herstellende Schalter auch durch eine Diode ersetzt werden.Vorteilhaft bei dieser letztgenannten Schaltung ist ihr einfacher Aufbau und Umstand, daa der Primärstrom nicht mehr vollständig unterbrochen werden muß, also zeitweise ganz zu Null wird. Der Hauptnachteil des Einwicklungssperrwandlers besteht aber darin, daß keine Potential-Trennung zwischen Primärseite und Sekundärseite möglich ist und daß er nur ein beschränktes Übersetzungsverhältnis aufweist. Außerdem bereitet es Schwierigkeiten, das Übersetzungsverhältnis sehr groß zu wählen, z. B. 1:20 und mehr.

Eine Potential-Trennung wird nun beim sogenannten Zweiwicklungssperrwandler erreicht. Er hat aber wiederum den Nachtei}, daß bei jedem Schalten der Primärstrom für gewisse Zeit völlig unterbrochen wird. Eine solche Stromunterbrechung ist aber in vielen Fällen prinzipiell oder wegen des daraus regulierenden Oberwellengehaltes nicht erwünscht, z. B. bei einer in Satelliten eingebautem Energieversorgungsanlage, bei der als Generator Solarzellen verwendet werden. Dieses Beispiel zeigt besonders deutlich die Schwierigkeiten und die Forderungen, die an einen Gleichstrom-Übertrager gestellt werden. Die anfallenden Primärspannungen beziehungsweise zur Verfugung stehenden Leistungen sind gering und schwanken verhältnismäßig stark je nach der augenblicklichen Lage und dem Abstand des Satelliten von der Sonne. Ferner soll - wie schon erwähnt - der Gleichstrom primärseitig möglichst nicht unterbrochen werden und generell einen geringen Oberwellengehalt aufweisen. Schließlich muß das übersetzungsverhältnis des GleichstromUbertragers beliebig wählbar und leicht an die Schwankungen/ des Generators anpaßbar sein, damit der sekundärseitige Verbraucher

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stets eine konstante Spannung und, bein Einsatz einer selbstanpassenden Steuerung der Leistung, auch Jeweils die höchstmögliche Leistung erhält. Nicht zuletzt besteht außerdem noch die wichtige Forderung, dad gerade bei einen Satelliten der Gleichstromübertrager kein schweres und aufwendiges Bauteil sein soll.

Die Erfindung geht von den bekannten Einwicklungssperrwandlern aus. Diese Wandler haben den Nachteil, daß es bei ihnen Schwierigkeiten bereitet, das Übersetzungsverhältnis variabel zu machen und die Steuerung des Übersetzungsverhältnisses auf einfache Weise elektronisch durchzuführen. Bei einen Gleichstrom-Übertrager, bei dem eine Drossel in die Verbindungsleitung zwischen Generator und Verbraucher eingefügt und dieser Drossel eine Diode nschgeschaltet ist, wobei außerdem zwischen Drossel und Diode ein Schalter angeordnet ist, der die beiden Adern der Verbindungsieitungen überbrückt und den StromfluQ der Drossel steuert, wird das Ziel erfindungsgemäß dadurch erreicht, dall der Schalter als elektronischer Schalter ausgebildet ist, der seine Steuerspannung von der Drossel selbst über eine Sekundärwicklung erhält und daß sein Schaltzustand zusätzlich durch einen besonderen Hilfekreis steuerbar ist, der seine Energie aus einer weiteren Sekundärwicklung der Drossel bezieht. Der Hilfskreis selbst enthält einen bidirektional steuerbaren HiIfsschalter, z. B. einen Triac oder zwei antiparallel geschaltete Thyristoren. Dieser Hilfsschal ter legt an den den Drosselstrom steuernden elektronischen Schalter abwechselnd eine zusätzliche Einschalt- bzw. Abschaltspannung an. Das Übersetzungsverhältnis wird durch die zeitliche Folg· der Zündimpulse für den Hilfsschalter gesteuert. Das Schalten des elektronischen Schalters wird durch die auftretende Mitkopplung über die zweite Teilwicklung der Drossel beschleunigt und unterstützt .

An Hand der^Zeichnung wird ein AusfUhrungsbeispiel der Erfindung erläutert.

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Figur 1 zeigt die Schaltung eines Gleichstromübertragers, Figur 2 zeigt den Stroraverlauf in der Drossel und Figur 3 zeigt den Stromverlauf für die Verbraucherleitung.

In der Figur 1 sind nur die für das Wesen der Erfindung wichtigen Teile enthalten. Die an die Generatorseite A und an die Verbraucherseite V angeschlossenen Elemente sind nicht dargestellt und spielen für die Wirkungsweise der Erfindung keine Rolle. Der GIeichstromübertrager besteht im wesentlichen aus einer Drossel D, die in die vom Generator A zum Verbraucher V führende Leitung in Längsrichtung eingeschaltet ist. Ihr folgt in Richtung zum Verbraucher eine Diode G. Zwischen Drossel und Diode ist ein elektronischer Schalter, der Transistor T, angeschlossen, welcher die beiden Adern der Verbindungsleitung zwischen Generator und Verbraucher überbrückt.

Der Transistor T erhält seine Steuerspannung durch einen Steuerkreis S von einer Sekundärwicklung D 1 der Drossel über einen Widerstand R 1. Zusätzlich ist noch ein Hilfskreis H vorgesehen, der ebenfalls an die Basis des Transistors T angeschlossen ist. Dieser Hilfskreis erhält seine Energie von einer weiteren Sekundärwicklung D 2 der Drossel. Er enthält außerdem noch einen Widerstand R 2 und einen bidirektionalen Schalter. Dieser bidirektionale Schalter ist hier durch die Antiparallel-Schaltung der beiden Thyristoren H 1 und H 2 dargestellt.

Die Wirkungsweise der Erfindung sei im folgenden näher erläutert. Es sei davon ausgegangen, daß der Transistor T gerade leitet. Dann liegt an der Primärwicklung der Drossel D die gesamte Spannung U. Entsprechend tritt an ihrer Sekundärwicklung D 1 eine Spannung auf, die einen Strom hervorruft, der duch den Widerstand R 1 und die Basis-Emitter-Kennlinie des Transistors bestimmt wird. Dieser Basis-Strom hält den Transistor leitend. Wird nun der Thyristor H 1 durch einen Einschalt-Impuls leitend gemacht, so wird für die an der Sekundärwicklung D 2 liegende Spannung ebenfalls ein Kreis frei, nämlich der Hilfskreis H.

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Dieser Hilfskreis umfaßt H 1, R 2 und - parallel geschaltet den Steuerkreis S und die Basis-Emitter-Strecke des Transistors T. Die Windungszahl der Teijwicklung D 2 und der Widerstand R 2 sind so gewählt, daß mit dem Einschalten des Thyristors H 1 der Einfluß des Hilfskreises H, der dem Steuerkreis S entgegenwirkt, an der Basis-Emitter-Strecke des Transistors T überwiegt. Der Transistor beginnt daher abzuschalten. Daraufhin tritt über die Wicklung D 1 der erwähnte Mitkoppel-Effekt beim Abschalten auf. Der Transistor T sperrt völlig.

Nun fließt der Drosselstrom über die Diode G zum Verbraucher V. An der Primärwicklung der Drossel liegt jetzt die Spannung U-E₁ die auf Grund von E>ü negativ ist. Damit kehren sich auch die Vorzeichen der an den Wicklungen D 1 und D 2 liegenden Spannungen um. Der Strom durch den Steuerkreis' S und den Hilfskreis H wird zu Null. Der Strom durch die Drossel D nimmt ab. Wird nun zum Beispiel nach der Zeit T 2 der antiparallele Thyristor H 2 durch einen Steuerimpuls gezündet, so fließt über diesen, die Teilwicklung D 2 und den Widerstand R 2 ein Strom, der den Transistor T wieder leitend macht. Damit kehrt sich das Vorzeichen der Spannung an der Primärwicklung der Drossel D und entsprechend auch in den Sekundärwicklungen wieder um. Die Wicklung D 1 im Steuerkreis S übernimmt die Versorgung des Transistors T mit Basisstrom. Der Strom durch die Wicklung D 2 wird unterbrochen, da der Thyristor H 1 gesperrt ist und beim Thyristor H 2 der Ventil-Effekt zur Geltung kommt. Es sei noch einmal darauf hingewiesen, daß die Parallel-Schaltung, gebildet aus den Thyristoren H 1 und H 2, durch ein bidirektional steuerbares Element, zum Beispiel einen Triac bzw. Quadrac, ersetzt werden kann.

In der Figur 2 ist der Stromverlauf ί_β in der Drossel D dargestellt. Es ist außerdem die Amplitude der Stromschwankungen mit ^ iß bezeichnet. Ip ist der Mittelwert des Stromes in der Drossel. Mit T 1 und T 2 sind die beiden Zeitabschnitte bezeichnet, in denen der Transistor leitend ist bzw. sperrt.

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In der Figur 3 ist der Verbraucherstrom iy dargestellt, der während der Sperrzeiten T 2 des Transistors T von der Drossel D zum Verbraucher V kommt.

Interessant ist der Fall, daß die Amplitude der Schwankungen des Drosselstromes den doppelten Betrag des Strommittelwertes erreicht, also Ai wird. In diesem Falle muß

der Ililfskreis H keinen besonderen Einschaltimpuls für den elektronischen Schalter T liefern, sondern das Wiedereinschalten dieses Schalters erfolgt selbsttätig. Das Übersetzungsverhältnis wird in diesem Fall lediglich durch die zeitliche Folge der Ausschaltbefehle gesteuert.

In diesem Falle benötigt der Ililfskreis H kein bidirektional steuerbares Element mehr, sondern kann z. B. lediglich mit dem Thyristor H 1 oder z. B. auch einem Transistor ausgerüstet werden. Die Schaltung wird in diesem Fall besonders einfach, zuverlässig und leicht, weil die Drossel optimal ausgenützt wird.

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Patentansprüche :

Gleichstromübertrager mit variablem Übersetzungsverhältnis, bestehend aus einer in die Verbindungsleitung zwischen Generator und Verbraucher eingefügten Drossel, einer ihr nachgeschalteten Diode sowie einem zwischen Drossel und Diode die beiden Adern der Verbindungsleitung Überbrückenden und den Strorafluß der Drossel steuernden Schalter, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter als elektronischer Schalter, z. B. Transistor (T) ausgebildet ist, der seine Steuerspannung von der Drossel (D) selbst über eine Sekundärwicklung (Dl) erhält und daß sein Schaltzustand zusätzlich durch einen besonderen Hilfskreis (H) steuerbar ist, der seine Energie aus einer weiteren Sekundärwicklung (D 2) der Drossel bezieht.

Gleichstroraübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfskreis (H) einen bidirektional steuerbaren Hilfsschalter, z. B. Triac, Quadrac oder Antiparallel-Schaltung von zwei Thyristoren (H 1, H 2) oder Transistoren enthält.

Gleichstroraübertrager nach Anspruch ι und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsschalter (H 1, H 2) an den den DrosseIstrom steuernden elektronischen Schalter (T) abwechselnd eine zusätzliche Einschalt- bzw. Ausschaltspannung anlegt.

Gleichstromübertrager nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall, daß die Amplitude der ~ Schwankungen des Drosselstromes den doppelten Betrag des

Strömmittelwertes erreicht ( /'; *p _o\ und nur das Sper-

Ϊ ft " ^} ren des elektronischen Schalters (T) über den Hilfskreis (H) bewirkt wird.

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