DE4212864A1

DE4212864A1 - Spannungswandler mit potentialfreiem ausgang

Info

Publication number: DE4212864A1
Application number: DE19924212864
Authority: DE
Inventors: Jovan Prof Dr Antula
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-04-18
Filing date: 1992-04-16
Publication date: 1992-10-22

Description

Die Erfindung geht aus von einem Spannungswandler mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmalen.

In Wechselstromkreisen wird die oft erforderliche galvani sche Trennung zwischen dem Quellen- und dem Verbraucher- Stromkreis hauptsächlich durch einen elektrischen Trans formator gelöst. Auch einem Gleichrichter ist in der Regel ein Transformator vorgeschaltet, der den Gleichstromkreis galvanisch vom Netz trennt. Zur galvanischen Trennung zweier Gleichstromkreise (z. B. bei einem Gleichspannungswandler) ist es bekannt, die Gleichströme zu zerhacken, den zerhackten Strom zu transformieren und dann wieder gleich zurichten. Seltener wird die galvanische Trennung durch eine Motor-Generator-Kombination bewirkt. Optoelektrische Kopplungselemente und Relais kommen für diesen Zweck nur bei sehr kleinen Leistungen (Informationsübertragung) in Frage.

Ein Transformator arbeitet zwar nahezu wartungsfrei und mit gutem Wirkungsgrad, er ist jedoch relativ groß, schwer und teuer, und läßt sich nicht miniaturisieren. So lag der Versuch nahe, die galvanische Trennung ohne Zuhilfenahme eines Leistungstransformators zu bewältigen.

Verschiedene Lösungen dieses Problems gehören zum Stand der Technik. In SU 2 90 374 ist ein Gleichspannungswandler beschrieben, bei dem die Anschlüsse eines kapazitiven und/oder induktiven Energiespeichers mit Hilfe von zwei Schaltergruppen abwechselnd an das Versorgungsnetz und an den Verbraucher geschaltet werden, so daß der Verbraucher aus dem Energiespeicher gespeist wird und keinen direkten Kontakt mit dem Versorgungsnetz hat, also galvanisch getrennt arbeitet.

Auf diesem Prinzip arbeiten auch die Schaltungen, die aus der DE-A-24 35 392 oder DE-A-20 52 382 bekannt sind. Hier ist die Grundschaltung durch kapazitive Spannungsteiler erweitert sowie durch Vorschalten einer Gleichrichter schaltung zu einem Gleichrichter mit der galvanischen Trennung ausgebaut. Aus EP 03 86 261 ist bekannt, daß die Kurvenform der Eingangsspannung am Ausgang besser wieder gegeben wird, wenn mehrere Grundschaltungen parallel geschaltet werden. Eine Gleichrichterschaltung mit zwei parallelgeschalteten Grundschaltungen arbeitet mit Doppel weggleichrichtung. Kapazitive Spannungsteiler und Spannungsvervielfacher sind auch in der DE-A-20 62 258 beschrieben, außerdem auch eine Verwendung der Grund schaltung als Wechselspannungswandler, wobei die Umschalte frequenz der Kontakte groß gegenüber der Frequenz der Eingangsspannung ist.

Alle diese Schaltungen haben als Energiespeicher kapazitive und induktive Speicherelemente. Dadurch können diese Schaltungen beim Ausfall der Quellenspannung den Verbraucher nur sehr kurzfristig versorgen, für die Notstromquellen eignen sie sich nicht.

Das Problem des Wechselspannungswandlers wurde nur für kleine Leistungen gelöst, da man für die Speicherkonden satoren, die umgepolt werden und mit hoher Umschaltfrequenz auf- und entladen, keine Elektrolytkondensatoren oder Akkumulatoren verwenden kann.

Das Problem eines Wechselrichters mit galvanischer Trennung wurde in den oben genannten Schriften nicht angegangen. Seine Lösung ist also nicht eine naheliegende Folge der bekannten Schaltungen (wie das Parallelsschalten zweier Wechselrichter ohne der galvanischen Trennung in GB 20 98 414 A beweist).

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Spannungswandler dahingehend weiterzubilden, daß er den Verbraucher bei Ausfall der Primärspannung länger mit Energie versorgen kann als die bekannten Schaltungen und/oder als Wechselrichter mit galvanischer Trennung von Eingangskreis und Ausgangskreis betrieben werden kann.

Sowohl das Wechselspannungswandler- als auch das Wechsel richter-Problem wird durch die vorliegende Erfindung dadurch gelöst, daß eine erste Grundschaltung für die positiven und eine zweite für die negativen Halbwellen der Eingangs- und/oder Ausgangsspannung vorgesehen ist. Dadurch entfällt die Einschränkung bezüglich der Umschaltefrequenz der Kontakte, und die Speicherelemente werden weder umgepolt noch voll entladen, so daß man elektrolytische Kondensatoren und/oder Akkumulatoren als Energiespeicher verwenden kann.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Spannungswandlers sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a ein Schaltbild eines Spannungswandlers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel des Erfindung,

Fig. 1b ein Schaltbild des Ausgangsteiles eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung, und

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Teils eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Ein erfindungsgemäßer Spannungswandler 12 enthält mindestens eine Energieübertragungsschaltung 1′. Die Energieüber tragungsschaltung enthält einen Speicher für elektrische Energie 3′, z. B. einen Blindwiderstand, wie eine Induktität oder einen Kondensator, insbesondere Elektrolytkondensator oder vorzugsweise eine wiederaufladbare Batterie (Akkumulator); weiterhin enthält die Energieübertragungs schaltung 1′ eine geeignete Schalteranordnung 2′, die durch eine nicht dargestellte Steuereinrichtung gesteuert wird und den Energiespeicher 3′ alternierend entweder nur mit dem Primär- 4′, 5′, oder nur mit dem Sekundärkreis 6′, 7′ verbindet. Dadurch wird die elektrische Energie während einer Zeitspanne t₁ aus dem Primärkreis in die Speicher anordnung 3′ übertragen und dann, während einer Zeitspanne t₂, wird die gespeicherte elektrische Energie dem Sekundär kreis angeboten. Es entsteht ein Lade-Entlade-Vorgang, der sich mit einer Folgefrequenz f₁ wiederholt.

Zwei oder mehrere solcher Energieübertragungsschaltungen 1′, 1′′, . . . können primärseitig und/oder sekundärseitig entweder parallelgeschaltet (Art I, Fig. 1a) oder so zusammengeschaltet werden, daß jeweils der positive Ausgangsanschluß 6′ der einen mit dem negativen Ausgangs anschluß 7′′ der nächsten Energieübertragungsschaltung verbunden ist und jeweils einen Sekundär- oder Ausgangs anschluß 10 des Spannungswandlers bildet (Art II, Fig. 1b).

Um einen Gleichspannungswandler zu realisieren, legt man an die Primäranschlüsse des Spannungswandlers eine Gleich spannung an, und verbindet die Eingangsanschlüsse und die Ausgangsanschlüsse aller Energieübertragungsschaltungen nach Art I. An den Sekundäranschlüssen des Spannungswandlers steht dann eine nahezu unterbrechungsfreie Gleichspannung zur Verfügung. Ein Ladekondensator an Sekundäranschlüssen 10, 11 kann die Welligkeit dieser Spannung noch verringern, wenn den Anschlüssen 10, 11 ein Akkumulator 14 parallel geschaltet wird, erhalt man eine Notstromquelle.

Mit der Ausgangsschaltung nach Art II ergibt diese Schaltung einen Wechselrichter mit ein- oder mehrphasiger Sekundär wechselspannung, wenn man für jede Phase eine Energie übertragungsschaltung vorsieht.

Um den Spannungswandler aus einer Wechselspannungsquelle zu speisen, ist es zweckmäßig, ihm mindestens eine Gleich richterschaltung vorzuschalten oder jeder Energieüber tragungsschaltung (z. B. 1′, 1′′) mindestens eine Gleich richterschaltung 13 zuzuordnen (Fig. 2). Schaltet man dann die Ein- und die Ausgänge der einzelnen Energieübertragungs schaltungen nach Art I (Fig. 1a), so bekommt man mit Hilfe eines Ladekondensators oder eines Akkumulators 14 an den Sekundäranschlüssen 10 und 11 eine potentialfreie Gleich spannung.

Schaltet man die Ausgänge von zwei Energieübertragungs schaltungen nach Art II, so liegt an den Sekundäranschlüssen des Spannungswandlers eine Wechselspannung, und die Schaltung stellt einen Wechselspannungswandler dar.

Ein Wechselspannungswandler entsteht auch, wenn man die Eingangsanschlüsse, mit vorgeschaltetem Gleichrichter 13, Fig. 2, und die Ausgangsanschlüsse der Energieübertragungs schaltungen nach Art II zusammenschaltet.

Bei einem aus einer mehrphasigen Wechselspanungsquelle gespeisten Wechselspannungswandler wird jeder Phase ein Spannungswandler zugeordnet.

Bei allen Wechselspannungswandlern ist es zweckmäßig, das Umschalten jeder einzelnen Schalteranordnung mit der Frequenz der Primärwechselspannung zu synchronisieren. Durch die Synchrongleichrichtung können einige Gleichrichter schaltungen überflüssig werden.

Wenn die Primär- und die Sekundärspannung dieselbe Form haben sollen, so wählt man die Umschaltefrequenz der Schalteranordnungen (z. B. 2′, 2′′) entsprechend hoch und die Lade- und Entladekonstanten der Speicheranordnungen (3′, 3′′) entsprechend klein, so daß so abgetastete Form der Primär spannung als Hüllkurve der Sekundärimpulse erhalten ist. Mit einem nachgeschalteten Integrationsglied und/oder einem Tiefpaßfilter läßt sich daraus eine kontinuierliche Sekundärspannung synthetisieren.

Als Schalter in den Schalteranordnungen kommen vorzugsweise steuerbare Schalter in Frage, wie Relais, Transistoren, IGBT, Thyristoren, Triacs.

Eine frei Wahl der Zeitspanne t₁ und/oder t₂ ermöglicht eine Einstellung und/oder eine Steuerung der Sekundärspannung. Erfolgt diese Steuerung in Abhängigkeit der Sekundär spannungsänderung, so kann dadurch die Sekundärspannung nahezu konstant gehalten werden.

Der Vorschaltung einer Gleichrichterschaltung gem. Fig. 2 vor jede der beiden Energieübertragungsschaltungen 1′, 1′′ ist es äquivalent, den Anschluß 8 über einen nicht darge stellten zweipoligen Gleichrichter (z. B. eine Diode) mit dem Anschluß 4′ und direkt mit dem Anschluß 5′′ zu verbinden und den Anschluß 9 direkt mit dem Anschluß 5′ und über einen zweiten zweipoligen Gleichrichter (nicht dargestellt), der wie der vorerwähnte Gleichrichter gepolt ist, mit dem Anschluß 4′′ zu verbinden.

Claims

1. Spannungswandler mit galvanischer Trennung des Primär (Quellen-) Stromkreises vom Sekundär- (Verbraucher-) Strom kreis, mit mindestens zwei Primäranschlüssen (8, 9), mindestens zwei Sekundäranschlüssen (10, 11) und mindestens einer Energieübertragungsschaltung (z. B. 1′), die zwei Eingangsanschlüsse (4′, 5′), mindestens eine Schalter anordnung (2′), mindestens eine elektrische Energiespeicher anordnung (3′) und zwei Ausgangsanschlüsse (6′, 7′) aufweist, wobei die Schalteranordnung (2′) während einer ersten Zeitspanne (t₁) die Speicheranordnung (3′) mit den Eingangsanschlüssen (4′, 5′) verbindet, um das Speichern von elektrischer Energie aus dem Primärkreis des Spannungs wandlers zu ermöglichen, anschließend die Speicheranordnung (3′) von den Eingangsanschlüssen (4′, 5′) trennt, und sie während einer zweiten Zeitspanne (t₂) mit den Sekundär anschlüssen (6′, 7′) verbindet, um das Entladen der Speicheranordnung (3′) in den Sekundärkreis des Spannungs wandlers (10, 11) zu ermöglichen, wodurch sichergestellt wird, daß, in diesem sich sukzessiv wiederholenden Lade- und Entladespiel die Speicheranordnung während jedes Lade vorgangs nur mit den Primäranschlüssen und während jedes Entladevorgangs nur mit den Sekundäranschlüssen verbunden ist und wobei bei mehreren parallelbetriebenen Energieüber tragungsschaltungen die Entladeperioden zeitlich gestaffelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß

a) mindestens eine aufladbare Batterie (Akkumulator) (14) in der Energiespeicheranordnung (3′) vorgesehen und/oder den Ausgangsanschlüssen (6′, 7′) parallelgeschaltet ist, und/oder
b) der Spannungswandler mindestens zwei Energieübertragungs schaltungen (1′, 1′′, Fig. 1a) enthält und die Eingangs anschlüsse (4′, 4′′ und 5′, 5′′) gleicher Polarität aller Energieübertragungsschaltungen miteinander verbunden sind und die Eingangsanschlüsse (8, 9) des Spannungswandlers bilden (Art I, Fig. 1a), und/oder die Ausgangsanschlüsse (6′, 6′′ und 7′, 7′′) gleicher Polarität aller Energie übertragungsschaltungen miteinander verbunden sind und die Ausgangsanschlüsse (10, 11) des Spannungswandlers bilden (Art I, Fig. 1a), und/oder jeweils der Eingangs anschluß (z. B. 4′ oder 5′, Fig. 2) vorgegebener Polarität einer Energieübertragungsschaltung mit dem Eingangs anschluß anderer Polarität der nächsten Energieüber tragungsschaltung verbunden ist, und je einen Eingangs anschluß des Spannungswandlers bildet, und/oder jeweils der Ausgangsanschluß vorgegebener Polarität einer Energieübertragungsschaltung mit dem Ausgangsanschluß anderer Polarität (6′ mit 7′′ bzw. 7′ mit 6′′) der nächsten Energieübertragungsschaltung verbunden ist und je einen Ausgangsanschluß (10, 11) des Spannungswandlers bildet (Art II, Fig. 1b), so daß jede genannte Art der Verbindung der Eingangsanschlüsse mit jeder genannten Art der Verbindung der Ausgangsanschlüsse in einem Spanungs wandler verwendet werden kann.

2. Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Primäranschlüsse (8, 9) eine Gleichspannung anlegbar ist und sowohl die Eingangsanschlüsse (4′, 5′, 4′′, 5′′) als auch die Ausgangsanschlüsse (6′, 7′, 6′′, 7′′) mindestens zweier Energieübertragungsschaltungen so geschaltet sind, daß die Speicheranordnungen (3′, 3′′) Spannungen gleicher Polarität an die Sekundäranschlüsse (10, 11) liefern (Fig. 1a).

3. Spannungswandler nach Anspruch 1 zur Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung, dadurch gekennzeichnet, daß an den Primäranschlüssen (8, 9) eine Gleichspannung anlegbar ist und daß die Eingangsanschlüsse (4′, 5′, 4′′, 5′′) sowie die Ausgangsanschlüsse (6′, 7′, 6′′, 7′′) so geschaltet sind, daß die Speicheranordnungen (3′, 3′′) alternierend Spannungen entgegengesetzter Polarität an die Sekundäranschlüsse (10, 11) liefern (Fig. 1b).

4. Spannungswandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Phase der Ausgangsspannung je ein Spannungs wandler vorhanden ist.

5. Spannungswandler nach Anspruch 1 und 2 zur Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung, dadurch gekennzeichnet, daß den Primäranschlüssen (8, 9) mindestens eine Gleich richteranordnung vorgeschaltet ist, und/oder, daß jeder Energieübertragungsschaltung (1′, 1′′) mindestens eine Gleich richterschaltung zugeordnet ist (13, Fig. 2).

6. Spannungswandler nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, daß den Primäranschlüssen (8, 9) mindestens eine Gleichrichteranordnung vorgeschaltet ist, und/oder, daß jeder Energieübertragungsschaltung mindestens eine Gleichrichter schaltung zugeordnet ist.

7. Spannungswandler nach Anspruch 1, der als Wechsel spannungswandler arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß einem Eingang (z. B. 4′, 4′′) jeder Energieübertragungsschaltung ein zweipoliger Gleichrichter in Reihe geschaltet ist und sowohl die Eingangsanschlüsse der Energieübertragungsschaltungen (4′, 5′, 4′′, 5′′) als auch ihre Ausgangsanschlüsse (6′, 7′, 6′′, 7′′) so zusammengeschaltet sind, daß die Speicher anordnungen (3′, 3′′) alternierend Spannungen entgegen gesetzter Polaritäten an die Sekundäranschlüsse liefern.

8. Spannungswandler nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieübertragungsschaltungen synchron mit der Primärwechselspannung arbeiten.

9. Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß um die Form der Primärspannung ausreichend genau abzu tasten, eine entsprechend hohe Umschaltfrequenz für die Schalteranordnungen des Spannungswandlers und entsprechend kleine Lade- und Entladezeit für seine Speicheranordnungen gewählt sind, so daß die Hüllkurve der Sekundärspannung die Form der Primärspannung hat.

10. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteranordnungen steuer bare Schalter, wie Relais, Transistoren, Thyristoren, Triacs, IGBT enthalten.

11. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicheranordnungen jeweils mindestens eine aufladbare Batterie und/oder mindestens einen elektrischen Blindwiderstand enthalten.

12. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitspanne (t₁), während der die jeweilige Speicheranordnung (3′, 3′′) mit den Primär anschlüssen (8, 9) verbunden ist, und/oder die Zeitspanne (t₂), während der die jeweilige Speicheranordnung (3′, 3′′) mit den Sekundäranschlüssen (10, 11) verbunden ist, veränderlich ist, wodurch die Sekundärspannung einstellbar und/oder steuerbar ist.

13. Spannungswandler nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitspanne (t₁), während der die jeweilige Speicheranordnung (3′, 3′′) mit den Primär anschlüssen (8, 9) verbunden ist, und/oder die Zeitspanne (t₂) während der die jeweilige Speicheranordnung (3′, 3′′) mit den Sekundäranschlüssen (10, 11) verbunden ist, in Abhängigkeit von der Sekundärspannung so geregelt wird, daß die Sekundärspannung im wesentlichen konstant bleibt.