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AT509574B1 - Vierquadrantenstellglieder mit inhärenter glättung - Google Patents

Vierquadrantenstellglieder mit inhärenter glättung Download PDF

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AT509574B1
AT509574B1 AT12552009A AT12552009A AT509574B1 AT 509574 B1 AT509574 B1 AT 509574B1 AT 12552009 A AT12552009 A AT 12552009A AT 12552009 A AT12552009 A AT 12552009A AT 509574 B1 AT509574 B1 AT 509574B1
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Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Johann Dipl Ing Dr Ertl
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Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
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Description

österreichisches Patentamt AT509 574B1 2012-03-15
Beschreibung [0001] Vierquadrantenstellglieder mit inhärenter Glättung (angemeldet 10.8.2009) [0002] Die Erfindung betrifft Vierquadrantensteller zur Ansteuerung permanent erregter Gleichstrommaschinen und anderer Lasten, aufgebaut aus zwei bidirektionalen Halbbrücken (HBi, HB2), mit jeweils einer positiven (ΗΗ^ HH2), mittleren (HM!, HM2) und einer negativen (HL^ HL2) Klemme, bestehend jeweils aus einem ersten aktiven Schalter (Sn bzw. S12), in Serie geschaltet mit jeweils einem zweiten aktiven Schalter (S2i bzw. S22), wobei zu jedem aktiven Schalter (Sn, Si2, S2i, S22) eine antiparallele Diode (Dn, D12, D21, D22) geschaltet ist, weiters bestehend aus zwei Spulen (Li, L2) oder vier Spulen (Ln, L21, L12, L22), aus zwei Kondensatoren (Cn C2) oder vier Kondensatoren (Cn, C2i, C12, C22), einer ersten positiven (E^ und einer zweiten negativen (E2) Eingangsklemme zum Anschluss einer unipolaren Spannungsquelle (Ui) und einer ersten (A^ und zweiten (A2) Ausgangsklemme zum Anschluss der Last.
[0003] Zum Stand der Technik findet man in der Patentliteratur WO 2002089308 A1 (AFL GERMANY ELECTRONICS GMBH). Dabei wird die klassische Halbbrücke behandelt. An der Last (Maschine) wird eine pulsförmige Spannung aufgebracht, zusätzlich kann die Spannung an der Last nicht größer als die Betriebsspannung sein. Ein Vergleich mit den in der gegenständlichen Patentschrift behandelten Schaltungen zeigt den Unterschied auf. Durch die der Schaltung inhärente Glättung liegt keine Pulsspannung an der Maschine, sondern eine geglättete. Das verbessert die elektromagnetische Verträglichkeit und führt zu verringerter Isolationsbelastung der Maschine und des Kommutators. Bei einer der vorgestellten Schaltungen kann zusätzlich auch die Spannung an der Maschine über die Betriebsspannung angehoben werden.
[0004] Die am meisten verwendete Vierquadrantenansteuerstufe ist eine Vollbrücke (Fig. 2), auch H-Brücke genannt, bestehend aus zwei Halbbrücken (Fig. 1). Die Last ist zwischen den Mittelpunkten der Halbbrücken geschaltet. Betrachtet man z.B. einen Motorantrieb, so ergibt sich, unter Vernachlässigung der Verluste für die Drehzahl einer permanent erregten Gleichstrommaschine, bei der Versorgungsspannung Ui, der Spannungskonstante des permanent erregten Motors cE und dem Tastverhältnis d zu n = --d-ul. Diese häufig verwendete Schal-
Cf tung hat aber auch einige Nachteile bzw. Einschränkungen. Es liegt an der Last (Maschine) eine pulsförmige Spannung. Dies führt über parasitäre Kapazitäten zu Verschiebungsströmen über Gehäuse und Lager. Weiters kommt es bei längeren Zuleitungen zur Last zu Spannungsüberhöhungen an der Maschinenwicklung und zu unerwünschten Abstrahlungen. Zusätzlich führt die pulsformige Spannung zu einer stärkeren Belastung von Wicklungsisolationen im Vergleich zu Gleichspannungen oder langsam veränderlichen Spannungen. Besonders bei niedrigen Betriebsspannungen kommt noch hinzu, dass die Spannung an der Last nicht über die Betriebsspannung angehoben werden kann. Zusätzlich kommt noch hinzu, dass der aus der Quelle gezogene Strom pulsförmig ist. Gegen die pulsförmige Spannung bzw. den pulsförmigen Strom kann mit Filtern vorgegangen werden und gegen die zu geringe Spannung mit einem vorgeschalteten Hochsetzsteller. Die hier vorgestellten Schaltungen zur Vierquadrantenansteu-erung überwinden die angeführten Nachteile und Einschränkungen jedoch grundsätzlich.
[0005] Die Schaltungen sind aus zwei Halbbrücken aufgebaut. Diese bestehen jeweils aus zwei aktiven (S^ S2) und zwei passiven (D^ D2) Schaltern. Die beiden aktiven Schalter (S^ S2) sind in Serie geschaltet und jeweils antiparallel von einer Diode (D^ D2) überbrückt. Der positive Anschluss des ersten aktiven Schalters (S1) bildet gleichzeitig den positiven Anschluss (HH) der Halbbrücke (HB). Die Verbindung zwischen dem negativen Anschluss des ersten aktiven Schalters (SO mit dem positiven Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) bildet den mittleren Anschluss (HM) der Halbbrücke (HB) und der negative Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) bildet den negativen Anschluss (HL) der Halbbrücke (HB).
[0006] Es sei hier angemerkt, dass als Last außer einer permanent erregten Gleichstrommaschine grundsätzlich jede Zweipollast, für die ein Zwei- oder Vierquadrantbetrieb vorteilhaft ist, verwendet werden kann. österreichisches Patentamt AT509 574B1 2012-03-15 [0007] Bei der ersten Schaltungsvariante (Fig. 3) wird nun zwischen die erste Eingangsklemme und dem mittleren Anschluss der zwei Halbbrücken jeweils eine Spule geschaltet. Die beiden negativen Anschlüsse der Halbbrücken werden mit der zweiten Eingangsklemme zusammen geschaltet. Zwischen der positiven und der negativen Klemme jeder Halbbrücke wird ein Kondensator geschaltet. Dieser kann auch als gepolter Kondensator ausgeführt sein. Die erste Ausgangsklemme ist mit dem positiven Anschluss der ersten Halbbrücke und die zweite Ausgangsklemme ist mit dem positiven Anschluss der zweiten Halbbrücke verbunden.
[0008] Bei der zweiten Schaltungsvariante (Fig. 4) wird nun zwischen die erste Eingangsklemme und dem positiven Anschluss der zwei Halbbrücken jeweils eine Spule geschaltet. Zwischen der positiven und der negativen Klemme jeder Halbbrücke wird ein Kondensator geschaltet. Weiters ist zwischen der mittleren Klemme jeder Halbbrücke und der zweiten Eingangsklemme der Schaltung ein Kondensator geschaltet. Alle Kondensatoren können als gepolte Typen ausgeführt werden. Zwischen der zweiten Eingangsklemme und den negativen Klemmen der Halbbrücken ist jeweils eine Spule geschaltet. Diese können miteinander verkoppelt werden. Die mittleren Klemmen der Halbbrücken sind mit den Ausgangsklemmen der Schaltung verbunden.
[0009] Für die Ansteuerung des Konverters stehen mehrere Konzepte zur Verfügung. Steuert man die Halbbrücken im Gegentaktbetrieb an, so befinden sich die Spulen der Schaltung im kontinuierlichen Betriebsfall (nichtlückender Betrieb). Um die Strombelastung der Eingangsquelle gering zu halten, kann es sinnvoll sein, die Ansteuersignale der zwei Halbbrücken zueinander zu versetzen.
[0010] Um die Quelle niederimpedant auszuführen und um die Auswirkungen der Induktivität der Zuleitung zu vermeiden, sollte parallel zu den Eingangsklemmen ein Kondensator geschaltet werden.
[0011] Die Aufgabenstellung einen Vierquadrantensteller mit inhärenter Glättung zu realisieren wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwischen die erste Eingangsklemme (Ei) und den mittleren Anschlüssen (HMi, HM2) der zwei Halbbrücken (HBi, HB2) jeweils eine Spule (l_i, L2) geschaltet ist und die beiden negativen Anschlüsse (HU, HL2) der Halbbrücken (HBi, HB2) mit der zweiten Eingangsklemme (E2) zusammen geschaltet sind und zwischen der positiven (HHi, HH2) und der negativen (HLi, HL2) Klemme jeder Halbbrücke (HB!, HB2) ein Kondensator (Ci, C2) geschaltet ist und die erste Ausgangsklemme (Ai) mit dem positiven Anschluss (HHi) der ersten Halbbrücke (HBi) und die zweite Ausgangsklemme (A2) mit dem positiven Anschluss (HH2) der zweiten Halbbrücke (HB2) verbunden ist, oder dass zwischen die erste (Ei) Eingangsklemme und den positiven Anschlüssen (HHi, HH2) der zwei Halbbrücken (HB!, HB2) jeweils eine Spule (Lu, Li2) geschaltet ist und dass zwischen der positiven (HHi bzw. HH2) und der negativen Klemme (HLi bzw. HL2) jeder Halbbrücke (HBi bzw. HB2) ein Kondensator (Cu bzw. Ci2) geschaltet ist und zwischen der mittleren (HMi bzw. HM2) Klemme jeder Halbbrücke (HB! bzw. HB2) und der zweiten (E2) Eingangsklemme der Schaltung ein Kondensator (C2i bzw. C22) geschaltet ist und zwischen der zweiten Eingangsklemme (E2) und den negativen Klemmen (HLi bzw. HL2) der Halbbrücken (HBi, HB2) jeweils eine Spule (L2i, L22) geschaltet ist und die mittlere Klemme (HMi) der ersten Halbbrücke (HBi) mit der ersten Ausgangsklemme (Ai) und die mittlere Klemme (HM2) der zweiten Halbbrücke (HB2) mit der zweiten Ausgangsklemme (A2) verbunden ist.
[0012] Die Spulen der Schaltung können auch auf verschiedene Weise verkoppelt werden. Dadurch kann eine weitere Verbesserung der Filterwirkung erzielt werden.
[0013] Die Figuren stellen eine Halbbrücke (Fig. 1), eine Vollbrücke (Fig. 2) und die beiden hier beschriebenen Varianten des Vierquadrantenstellglieds mit inhärenter Glättung dar (Fig. 3 und Fig. 4). In Fig. 2 ist der aktive Schalter beispielhaft als selbstsperrender n-Kanal MOSFET gezeichnet. Es kann aber natürlich jeder aktive Schalter verwendet werden. Es sei auch noch angemerkt, dass die Halbbrücken auch als fertige Baugruppen (Module) erhältlich sind. 2/5

Claims (6)

  1. österreichisches Patentamt AT509 574B1 2012-03-15 Patentansprüche 1. Vierquadrantensteller zur Ansteuerung permanent erregter Gleichstrommaschinen und anderer Lasten, aufgebaut aus zwei bidirektionalen Halbbrücken (HBi, HB2), mit jeweils einer positiven (HHi, HH2), mittleren (HMi, HM2) und einer negativen (HLi, HL2) Klemme, bestehend jeweils aus einem ersten aktiven Schalter (Sn bzw. S12), in Serie geschaltet mit jeweils einem zweiten aktiven Schalter (S21 bzw. S22), wobei zu jedem aktiven Schalter (S11, Si2, S2i, S22) eine antiparallele Diode (Du, D12, Du, D12) geschaltet ist, weiters bestehend aus zwei Spulen (Ln L2), zwei Kondensatoren (Ci, C2), einer ersten positiven (Ei) und einer zweiten negativen (E2) Eingangsklemme zum Anschluss einer unipolaren Spannungsquelle (Ui) und einer ersten (Ai) und zweiten (A2) Ausgangsklemme zum Anschluss der Last (M) dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die erste Eingangsklemme (Ei) und den mittleren Anschlüssen (HM!, HM2) der zwei Halbbrücken (HB!, HB2) jeweils eine Spule (Li, L2) geschaltet ist und die beiden negativen Anschlüsse (HLi, HL2) der Halbbrücken (HBi, HB2) mit der zweiten Eingangsklemme (E2) zusammen geschaltet sind und zwischen der positiven (HHi, HH2) und der negativen (HLi, HL2) Klemme jeder Halbbrücke (HBi, HB2) ein Kondensator (Ci, C2) geschaltet ist und die erste Ausgangsklemme (Ai) mit dem positiven Anschluss (HHi) der ersten Halbbrücke (HBi) und die zweite Ausgangsklemme (A2) mit dem positiven Anschluss (HH2) der zweiten Halbbrücke (HB2) verbunden ist.
  2. 2. Vierquadrantensteller zur Ansteuerung permanent erregter Gleichstrommaschinen und anderer Lasten, aufgebaut aus zwei bidirektionalen Halbbrücken (HBi, HB2), mit jeweils einem positiven (HHi, HH2), einem mittleren (HMi, HM2) und einem negativen (HLi, HL2) Anschluss, bestehend jeweils aus einem ersten aktiven Schalter (Sn, bzw. Si2), in Serie geschaltet mit jeweils einem zweiten aktiven Schalter (S2i, bzw. S22), wobei zu jedem aktiven Schalter (Sn, Si2, S2i, S22) eine antiparallele Diode (Du, Di2, Du, Di2) geschaltet ist, weiters bestehend aus vier Spulen (Ln, L2i, Li2, L22), vier Kondensatoren (Cn, C2i, Ci2, C22), einer ersten positiven (Ei) und einer zweiten negativen (E2) Eingangsklemme zum Anschluss einer unipolaren Spannungsquelle (Ui) und einer ersten (Ai) und zweiten (A2) Ausgangsklemme zum Anschluss der Last dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die erste (Ei) Eingangsklemme und den positiven Anschlüssen (HHi, HH2) der zwei Halbbrücken (HBi, HB2) jeweils eine Spule (Lu, U2) geschaltet ist und dass zwischen der positiven (HHi bzw. HH2) und der negativen Klemme (HLi bzw. HL2) jeder Halbbrücke (HBi bzw. HB2) ein Kondensator (Cu bzw. Ci2) geschaltet ist und zwischen der mittleren (HMi bzw. HM2) Klemme jeder Halbbrücke (HBi bzw. HB2) und der zweiten (E2) Eingangsklemme der Schaltung ein Kondensator (C2i bzw. C22) geschaltet ist und zwischen der zweiten Eingangsklemme (E2) und den negativen Klemmen (HLi bzw. HL2) der Halbbrücken (HBi, HB2) jeweils eine Spule (L2i, L22) geschaltet ist und die mittlere Klemme (HMi) der ersten Halbbrücke (HB!) mit der ersten Ausgangsklemme (A^ und die mittlere Klemme (HM2) der zweiten Halbbrücke (HB2) mit der zweiten Ausgangsklemme (A2) verbunden ist.
  3. 3. Vierquadrantensteller gemäß Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (Lu) zwischen der ersten Eingangsklemme (Ei) und der positiven Klemme (HHi) der ersten Halbbrücke (HB!) mit der Spule (L21) zwischen der zweiten Eingangsklemme (E2) und der negativen Klemme (HLi) der ersten Halbbrücken (HBi) miteinander verkoppelt ist und weiters die Spule (Li2) zwischen der ersten Eingangsklemme (Ei) und der positiven Klemme (HH2) der zweiten Halbbrücke (HB2) mit der Spule (L22) zwischen der zweiten Eingangsklemme (E2) und der negativen Klemme (HL2) der zweiten Halbbrücken (HB2) miteinander verkoppelt ist.
  4. 4. Vierquadrantensteller gemäß Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (L2i, L22) zwischen der zweiten Eingangsklemme (E2) und den negativen Klemmen (HLi bzw. HL2) der Halbbrücken (HBi bzw. HB2) miteinander verkoppelt sind. 3/5 österreichisches Patentamt AT509 574B1 2012-03-15
  5. 5. Vierquadrantensteller gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Halbbrücken im Gegentakt betrieben und zueinander phasenversetzt angesteuert werden.
  6. 6. Vierquadrantensteller gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die erste (Ei) und zweite (E2) Eingangsklemme ein weiterer Kondensator geschaltet ist. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 4/5
AT12552009A 2009-08-10 2009-08-10 Vierquadrantenstellglieder mit inhärenter glättung AT509574B1 (de)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2002089308A1 (de) * 2001-04-27 2002-11-07 Alcoa Fujikura Gesellschaft mit beschränkter Haftung Ansteuerung für halbbrücke

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2002089308A1 (de) * 2001-04-27 2002-11-07 Alcoa Fujikura Gesellschaft mit beschränkter Haftung Ansteuerung für halbbrücke

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