DE69318796T2 - Aktiver dreiphasiger Gleichrichter - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Dreiphasen- Leistungsversorgungsgerät, das ein Wechselstrom-Eingangssignal aus einer Dreiphasen-Quelle in ein Gleichstrom-Ausgangssignal wandelt, mit einer ersten Schaltung zum Umwandeln einer ersten Phase des Eingangssignals in ein erstes Gleichstrom- Ausgangssignal, wobei die erste Schaltung einen ersten Boost- Wandler aufweist, einer zweiten Schaltung zum Umwandeln einer zweiten Phase des Eingangssignals in ein zweites Gleichstrom- Ausgangssignal, wobei die zweite Schaltung einen zweiten Boost- Wandler aufweist, und einer dritten Schaltung zum Umwandeln einer dritten Phase des Eingangssignals in ein drittes Gleichstrom-Ausgangssignal, wobei die dritte Schaltung einen dritten Boost-Wandler aufweist, und mit einer Steuerschaltung zum Regeln der Leistung, die von der ersten, der zweiten und der dritten Schaltung an eine Last abgegeben wird.
- Ein solches Dreiphasen-Leistungsversorgungsgerät ist aus der US-A-5,003,453 bekannt.
- Die vorliegende Erfindung betrifft generell Leistungsversorgungsgeräte bzw. Netzteile. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere Leistungs-Aufbereitungsgeräte zur Verwendung in Leistungsversorgungsgeräten.
- Leistungsversorgungsschaltungen umfassen typischerweise eine Gleichrichterschaltung, die einen Eingangssignalverlauf in Form eines Eingangs-Wechselstromes (AC) in einen Gleichstrom- Signalverlauf bzw. DC-Signalverlauf wandelt. Diese Gleichrichter ziehen ("pull") häufig harmonische Ströme aus der Quelle, und zwar zusammen mit dem gewünschten fundamentalen Signal. Diese harmonischen Bestandteile beeinträchtigen die Wirksamkeit der Leistungsumwandlung und induzieren ein Rauschen in Lastschaltungen.
- Beispielsweise verwenden dreiphasige Hochleistungswandler zum Umwandeln eines Wechselstromes in einen Gleichstrom typischerweise sogenannte Offline-Gleichrichter. Dioden- oder siliziumgesteuerte Gleichrichter (SCRs) steuern den Gleichrichtungsprozeß, indem die EIN-Zeit des Gleichrichters gesteuert wird. Der Ausgang wird durch einen großen Kondensator geglättet oder gefiltert, der eine Gleichstrom-Busspannung niedriger Welligkeit zu Zwecken der Leistungsverteilung, der Motorsteuerung, der Beleuchtung etc. bereitstellt. Die Schaltung zieht harmonische Ströme, die nicht in Arbeit umgewandelt werden und als verlorene Energie angesehen werden. Der Qualitätsfaktor des Gehalts an Harmonischen ist der "Leistungsfaktor". Der Leistungsfaktor von typischen Hochleistungs-Gleichrichtern beträgt 0,6 bis 0,7. Dies ist gleichzusetzen damit, daß 30 bis 40% an verwendbarer Leistung bei dem Gleichrichtungsprozeß verloren gehen.
- Das US-Patent Nr. 4,680,689, das am 14. Juli 1987 an Payne et al. erteilt worden ist, beschreibt einen dreiphasigen Leistungswandler zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom, der einen separaten Wandler zum Umwandeln von Gleichstrom in Gleichstrom an jeder Phase verwendet, wobei die Wandler parallel angeschlossen sind, um harmonische Ströme zu reduzieren. Unglücklicherweise teilen sich die Wandler zum Umwandeln von Gleichstrom in Gleichstrom den Gleichstrom-Laststrom ohne Regulierung. Wenn daher z. B. die Last ein Drittel des maximalen Pegels betragen würde, müßte die Ausgangsimpedanz von jedem Gleichstrom-in-Gleichstrom-Wandler genau angepaßt werden, um eine gleichmäßige Aufteilung bereitzustellen. Da es aufgrund von Bauteil- und Herstellungs-Toleranzen keine exakte Anpassung geben kann, würde die niedrigste Quellenimpedanz die Gleichstrom-Last dominieren und an der Leistungsquelle eine unbalancierte Last hervorrufen. Bei einem Vierdrahtsystem wäre das Ungleichgewicht in der neutralen Leitung, was eine Sicherheitsgefährdung hervorrufen könnte, indem die neutrale Leitung überlastet wird, was einen übermäßigen Spannungsabfall oder eine übermäßige Spannungsdifferenz zwischen benachbarten Geräten hervorruft.
- Weiterhin offenbart das Dokument FR-A-2 579 035 einen gesteuerten Thyristor-Gleichrichter vom Mehrphasentyp, der selbst abgleichend ist.
- Ein weiterer Thyristor-Gleichrichter mit zwei Thyristor- Brücken ist aus der EP-A-1 081 664 bekannt. Die Zündwinkel der Thyristor-Brücken werden von einer Symmetrie- bzw. Nullpunkt- bzw. Abgleichs-Steuerschaltung gesteuert, die Stromsignale von dreiphasigen Stromtransformatoren empfängt, die vor den jeweiligen Thyristor-Brücken angeordnet sind.
- Somit besteht im Stand der Technik eine Notwendigkeit nach einer Technik zum Umwandeln eines Wechselstroms bzw. Drehstroms vom Dreiecktyp in einen Gleichstrom, und zwar bei allen Leistungspegeln mit einem hohen Leistungsfaktor und minimalen harmonischen Strömen.
- Die obige Aufgabe wird durch ein Dreiphasen- Leistungsversorgungsgerät, wie eingangs erwähnt, und gemäß den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruchs 1 erreicht.
- Der Bedarf des Standes der Technik wird generell erfüllt von dem Dreiphasen-Leistungsversorgungsgerät der vorliegenden Erfindung. Das erfinderische Leistungsversorgungsgerät wandelt ein Eingangssignal in Form eines Wechselstromes aus einer dreiphasigen Quelle in ein Ausgangssignal in Form eines Gleichstromes um und umfaßt eine erste Schaltung zum Umwandeln einer ersten Phase des Eingangssignals in ein erstes Ausgangssignal in Form eines Gleichstroms. Eine zweite Schaltung ist enthalten zum Umwandeln einer zweiten Phase des Eingangssignal in ein zweites Ausgangssignal in Form eines Gleichstromes. Gleichermaßen wandelt eine dritte Schaltung eine dritte Phase des Eingangssignals in ein drittes Ausgangssignal in Form eines Gleichstroms. Eine Steuerschaltung reguliert die Leistung, die von der ersten, der zweiten und der dritten Schaltung bereitgestellt wird, um die Lasten für alle Lastwerte dynamisch auszugleichen.
- Die erste, die zweite und die dritte Schaltung werden durch Boost-Wandler implementiert und die Steuervorrichtung wird implementiert durch eine Lastverteilungs-Steuervorrichtung. Das erfinderische Leistungs-Aufbereitungsgerät ist dazu ausgelegt, mit dreiphasigen Leistungsquellen verwendet zu werden, die in Form eines Dreiecks konfiguriert sind.
- Fig. 1 ist eine vereinfachte Darstellung einer typischen bekannten Gleichrichterschaltung.
- Fig. 2 ist ein Diagramm der Spannung und des Stromausgangs der typischen Gleichrichterschaltung von Fig. 1.
- Fig. 3 ist eine vereinfachte Darstellung eines herkömmlichen Boost-Wandlers mit einer Leistungsfaktor-Korrektur, der eine gewisse Verbesserung in der Leistungsfähigkeit gegenüber der typischen Gleichrichterschaltung der Fig. 1 bereitstellt.
- Fig. 4 stellt den Spannungs- und den Strom-Signalverlauf des Boost-Wandlers der Fig. 3 dar.
- Fig. 5 ist ein Blockdiagramm einer illustrativen Implementierung des Leistungs-Aufbereitungsgerätes.
- Fig. 6 ist ein Blockdiagramm einer illustrativen Implementierung des Boost-Wandlers des Leistungs-Aufbereitungsgerätes der vorliegenden Erfindung.
- Fig. 7 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm der Leistungsfaktor-Steuervorrichtung, die in dem Boost-Wandler des Leistungs-Aufbereitungsgerätes der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
- Fig. 8 ist ein Blockdiagramm der Lastverteilungs- Steuervorrichtung, die in dem Leistungs-Aufbereitungsgerät der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
- Fig. 9 ist ein Blockdiagramm einer Delta-Ausführungsform bzw. Dreieck-Ausführungsform des Leistungs-Aufbereitungsgerätes der vorliegenden Erfindung.
- Nunmehr werden illustrative Ausführungsformen und beispielhafte Anwendungen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, um die vorteilhaften Lehren der vorliegenden Erfindung zu offenbaren.
- Fig. 1 ist eine vereinfachte Darstellung einer typischen Gleichrichterschaltung. Der Gleichrichter 10' ist mit einer Spannungsquelle 12' verbunden. Der Gleichrichter 10' enthält einen Brückengleichrichter 14, dessen Eingänge mit der Spannungsquelle 12' verbunden sind und dessen Ausgänge an einer Last 20' angeschlossen sind. Ein optionales induktives Element 16' ist seriell mit einem der Ausgänge des Gleichrichters 14' verbunden. Ein Kondensator 18' ist über der Last 20' angeschlossen.
- Fig. 2 ist ein Diagramm der Spannung und des Stromeinganges von der typischen Gleichrichterschaltung der Fig. 1. Wenn die Spannung von der Quelle 12' auf sinusförmige Art und Weise ansteigt, verbleibt der Strom bei Null, bis die Spannung die negative Vorspannung überschreitet, die aufgrund einer Restladung an dem Kondensator 18' an die Dioden der Gleichrichterschaltung angelegt wird. Wenn die Gleichrichterschaltung 14' in Durchlaßrichtung vorgespannt ist bzw. vorwärtsvorgespannt ist, fließt ein Strom in die Last 20', bis die Ladung an dem Kondensator 18' gleich der Spannung über der Gleichrichterschaltung 14' aufgrund der Spannungsquelle 12' ist. An diesem Punkt fällt der Strom erneut auf Null ab. Dieses Phänomen wiederholt sich bei der negativen Halbwelle. Die Stromschritte an den Punkten A, B, C und D enthalten unerwünschte Harmonische, wie es weiter oben in größerer Vollständigkeit diskutiert worden ist. Das heißt, es sind signifikante Fourier-Komponenten in dem stark verzerrten Strom-Signalverlauf enthalten.
- Fig. 3 ist eine vereinfachte Darstellung eines herkömmlichen Boost-Wandlers mit einer Leistungsfaktor-Korrektor, der eine gewisse Verbesserung in der Leistungsfähigkeit gegenüber der typischen Gleichrichterschaltung der Fig. 1 bietet. Der Boost-Wandler 10" ist der typischen Gleichrichterschaltung der Fig. 1 ähnlich mit der Ausnahme von: 1) einer Diode 22" zwischen der Induktivität 16" und der Last 20" und 2) einem Schalter 24", der durch einen Metalloxid-Halbleiter- Feldeffekttransistor implementiert ist, der durch eine Pulsbreiten-Modulatorschaltung 26" gesteuert wird.
- Fig. 4 stellt den Signalverlauf von Spannung und Stromeingang des Boost-Wandlers der Fig. 3 dar. Es ist anzumerken, daß die Diskontinuitäten im Strom-Signalverlauf durch diese Konstruktion eliminiert werden können. Unglücklicherweise ist der Boost-Wandler der Fig. 3 im wesentlichen eine einphasige Konstruktion, die in einem Dreiphasen-System nicht arbeiten würde.
- Wie zuvor erwähnt, beschreibt das US-Patent Nr. 4,680,689, das am 14. Juli 1987 an Payne et al. erteilt worden ist, einen dreiphasigen Leistungswandler zum Wandeln von Wechselstrom in Gleichstrom, der an jeder Phase einen separaten Wandler zum Wandeln von Gleichstrom in Gleichstrom verwendet, wobei deren Ausgänge parallel angeschlossen sind, um harmonische Ströme zu reduzieren. Unglücklicherweise teilen sich die Wandler zum Umwandeln von Gleichstrom in Gleichstrom den Gleichstrom- Laststrom ohne Regulierung. Wenn daher die Last bspw. ein Drittel des maximalen Pegels sein würde, müßte die Ausgangsimpedanz von jedem Wandler zum Umwandeln von Gleichstrom in Gleichstrom exakt angepaßt werden, um eine gleichmäßige Aufteilung bereitzustellen. Aufgrund von Bauteil- und Herstellungstoleranzen kann es jedoch eine exakte Anpassung nicht geben, so daß der Wandler mit der niedrigsten Quellenimpedanz die Gleichstrom- Last dominieren würde und eine nicht abgeglichene Last an der Leistungsquelle hervorrufen würde. Bei einem Vierdraht-System würde sich die Unausgeglichenheit in der neutralen Leitung niederschlagen, was eine Sicherheitsgefährdung hervorrufen könnte durch Überlastung der neutralen Leitung, was einen übermäßigen Spannungsabfall oder eine übermäßige Spannungsdifferenz zwischen benachbarten Geräten hervorruft.
- Somit besteht im Stand der Technik die Notwendigkeit, eine Technik bereitzustellen zum Umwandeln von Wechselstrom in einen Gleichstrom, und zwar bei allen Leistungspegeln mit einem hohen Leistungsfaktor und bei minimalen harmonischen Strömen. Dieser Bedarf wird durch das dreiphasige Leistungs-Aufbereitungsgerät der vorliegenden Erfindung erfüllt. Das erfinderische Leistungs-Aufbereitungsgerät wandelt ein Eingangssignal in Form eines Wechselstromes aus einer dreiphasigen Quelle in ein Ausgangssignal in Form eines Gleichstroms um und enthält eine erste Schaltung zum Umwandeln einer ersten Phase des Eingangssignals in ein erstes Ausgangssignal in Form eines Gleichstroms. Eine zweite Schaltung ist enthalten zum Umwandeln einer zweiten Phase des Eingangssignals in ein zweites Ausgangssignal in Form eines Gleichstroms. Gleichermaßen wandelt eine dritte Schaltung eine dritte Phase des Eingangssignals in ein drittes Ausgangssignal in Form eines Gleichstroms um. Eine Steuerschaltung reguliert die von der ersten, der zweiten und der dritten Schaltung zur Verfügung gestellte Leistung, um die Lasten für alle Lastwerte dynamisch abzugleichen ("balance"). Bei einer illustrativen Implementierung sind die erste, die zweite und die dritte Schaltung durch Boost-Wandler implementiert und die Steuervorrichtung ist durch eine Lastverteilungs-Steuervorrichtung implementiert. Das erfinderische Leistungs-Aufbereitungsgerät ist ausgelegt zur Verwendung mit dreiphasigen Leistungsquellen, die delta- bzw. dreieck-konfiguriert sind.
- Fig. 5 ist ein Blockdiagramm einer illustrativen Implementierung eines Leistungs-Aufbereitungsgerätes, das nicht zur vorliegenden Erfindung gehört. Das Leistungs-Aufbereitungsgerät 10 ist zur Verwendung mit einer dreiphasigen Leistungsquelle 12 ausgelegt, die eine erste, eine zweite und eine dritte Spannungsquelle 14, 16 bzw. 18 aufweist, die in einer Stern- Konfiguration angeschlossen sind. Das Leistungs-Aufbereitungsgerät enthält einen ersten, einen zweiten und einen dritten Boost-Wandler mit einer Leistungsfaktor-Steuerung 20, 22 bzw. 24. Fachleute erkennen, daß die vorliegenden Lehren für zweiphasige Systeme verwendet werden können oder sich auf Systeme mit 4, 5 oder n Phasen erstrecken können. Der erste, der zweite und der dritte Boost-Wandler sind an einem Anschluß der ersten, der zweiten bzw. der dritten Spannungsquelle angeschlossen. Der zweite Anschluß von jeder Spannungsquelle und ein zweiter Eingang von jedem Boost-Wandler sind über eine neutrale Leitung mit Masse verbunden. Jeder Wandler liefert eine Spannung über einer Last 26. Ein in die Last 26 fließender Strom wird erfaßt durch einen Stromfühler 28 (oder einen anderen geeigneten Mechanismus) und in eine Stromverteilungs-Steuervorrichtung 30 eingegeben. Die Stromverteilungs-Steuervorrichtung 30 erfaßt den Laststrom und stellt ein Befehlssignal für die Boost- Wandler bereit, so daß diese einen proportionalen Anteil des Stromes bereitstellen, wie er von der Last gefordert wird.
- Die Boost-Wandler können durch einen Leistungsfaktor- Regulator implementiert sein, wie jener, der in Fig. 6 gezeigt ist. Die Konstruktion des Boost-Wandlers ist beschrieben in "Design of a 1kW Power Factor Correction Circuit" von M. K. Nalbant und J. Klein in Power Conversion and Intelligent Motion, Seiten 17 bis 24, veröffentlicht im Juli 1990. Jeder Wandler 20, 22, 24 umfaßt einen Brückengleichrichter 32, eine Induktivität 34 und einen Kondensator 42, der über den Ausgangsanschlüssen des Wandlers angeschlossen ist. Ein Transformator 36 ist seriell mit einem MOSFET 38 verbunden, die beide parallel zu dem Kondensator 42 liegen. Eine Leistungsfaktor- Steuervorrichtung 40 reguliert den Betrieb des MOSFET 38. Die Leistungsfaktor-Steuervorrichtung 40 erfaßt die Ausgangsspannung über ein Spannungsteiler-Netzwerk, das aus zwei Widerständen 44 und 46 besteht, die seriell über den Ausgangsanschlüssen des Wandlers angeschlossen sind. Die Eingangsspannung wird von einem Widerstand 48 erfaßt, der mit dem Brückengleichrichter 32 verbunden ist.
- Die Leistungsfaktor-Steuervorrichtung kann implementiert sein durch die als dedizierte integrierte Schaltung ausgeführte Leistungsfaktor-Steuervorrichtung vom Typ ML4812 von Micro Linear Corporation. Fig. 7 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm der Leistungsfaktor-Steuervorrichtung. Die Konstruktion und der Betrieb des ML4812-Chips sind in einer Spezifikation beschrieben, die von Micro Linear Corporation bereitgestellt wird und die vorliegend durch Bezugnahme enthalten sein soll.
- Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 5 besteht ein besonderer Aspekt in der Bereitstellung einer Lastverteilungs- Steuervorrichtung zum Erfassen des Laststromes und zum Bereit stellen eines Signales für jeden der Boost-Wandler, um jeden Wandler zu instruieren, einen proportionalen Anteil des von der Last geforderten Stromes bereitzustellen. Die Lastverteilungs- Steuervorrichtung 30 kann implementiert sein durch eine integrierte Schaltung vom Typ UC1907, UC2907 oder UC3907, wie sie von Unitrode Corporation verkauft werden. Fig. 8 ist ein Blockdiagramm der illustrativen Implementierung der Lastverteilungs- Steuervorrichtung 30. Der Strom wird in jeder Phase erfaßt und mit dem Stromverteilungsbus verglichen. Eine Einheit ist die Mastereinheit und die anderen Einheiten sind Slave-Einheiten. Das Befehlssignal ist der Stromverteilungs-Bus und der individuelle Phasenstrom wird verglichen mit dem Befehlssignal, um ein Fehlersignal zu erzeugen, das gleich dem Befehl minus dem Phasenstrom ist. Das Fehlersignal wird in den Multipliziererknoten des ML4812-Chips addiert, um den Maximalstrom zu kompensieren, der von jener Phase zugelassen wird. Die Konstruktion und der Betrieb der Chips UC1907, UC2907 oder UC3907 werden vollständig in einer Spezifikation beschrieben, die von der Unitrode Corporation bereitgestellt wird und die vorliegend durch Bezugnahme enthalten sein soll.
- Fig. 9 ist ein Blockdiagramm einer Dreieck-Ausführungsform des Leistungs-Aufbereitungsgerätes der vorliegenden Erfindung. Die Ausführungsform der Fig. 9 ist ähnlich zu jener der Fig. 5 mit der Ausnahme, daß die Spannungsquellen 214, 216 und 218 der Quelle 212 in einer dreiphasigen Dreieck- bzw. Delta- Konfiguration konfiguriert sind. Im Ergebnis gibt es keine gemeinsame Referenz für jede Phase, wie es bei der vierdrahtigen Stern-Konfiguration der Fig. 5 der Fall ist. Um zur aktiven Leistungsaufbereitung dasselbe Schema zu verwenden, wird von einem ersten, einem zweiten und einem dritten Kondensator 215, 217 und 219, die in einer Stern-Konfiguration verbunden sind, eine schwebende ("floating") Referenz bereitgestellt. Der erste Kondensator 215 besitzt einen ersten Anschluß, der mit den Knoten zwischen der ersten und der zweiten Spannungsquelle 214 bzw. 216 verbunden ist. Der zweite Kondensator 217 besitzt einen ersten Anschluß, der mit dem Knoten zwischen der zweiten und der dritten Spannungsquelle 216 bzw. 218 verbunden ist. Der dritte Kondensator 219 besitzt einen ersten Anschluß, der mit dem Knoten zwischen der ersten und der dritten Spannungsquelle 214 bzw. 218 verbunden ist. Die zweiten Anschlüsse des ersten, des zweiten und des dritten Kondensators sind mit einem einzelnen Knoten "SG" verbunden, der eine synthetische Masse darstellt. Die synthetische Masse ermöglicht es der Dreieck- Leistungsquelle, eine gemeinsame Leistungsversorgungsschaltung anzusteuern bzw. anzutreiben. Die alternative Ausführungsform erweitert die Lehren der Erfindung auf dreiphasige oder n phasige Leistungssysteme.
Claims (2)
1. Dreiphasen-Leistungsversorgungsgerät (10), das ein
Wechselstrom-Eingangssignal aus einer Dreiphasen-Quelle (12;
212) in ein Gleichstrom-Ausgangssignal wandelt, mit
einer ersten Schaltung (20; 220) zum Umwandeln einer
ersten Phase des Eingangssignals in ein erstes Gleichstrom-
Ausgangssignal, wobei die erste Schaltung (20; 220) einen
ersten Boost-Wandler aufweist, einer zweiten Schaltung (22; 222)
zum Umwandeln einer zweiten Phase des Eingangssignals in ein
zweites Gleichstrom-Ausgangssignal, wobei die zweite Schaltung
(22; 222) einen zweiten Boost-Wandler aufweist, und einer
dritten Schaltung (24; 224) zum Umwandeln einer dritten Phase des
Eingangssignals in ein drittes Gleichstrom-Ausgangssignal,
wobei die dritte Schaltung (24; 224) einen dritten Boost-Wandler
aufweist, wobei die Ausgänge der Wandler parallel an einer
gemeinsamen Last angeschlossen sind, und
einer Steuerschaltung (30; 230) zum Regeln der Leistung,
die von der ersten, der zweiten und der dritten Schaltung (20,
22, 24; 220, 222, 224) an die Last (26; 226) abgegeben wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (30; 230)
ein Lastanteil-Stromsteuergerät aufweist, daß die Quelle (212)
eine erste (214), eine zweite (216) und eine dritte (218)
Spannungsquelle aufweist, die in einer Dreieck-Konfiguration
miteinander verbunden sind und zwischen sich einen ersten, einen
zweiten und einen dritten Knoten aufweisen, und daß eine vierte
Schaltung, die in einer Stern-Konfiguration angeordnet ist,
zwischen den Knoten der Quelle (212) angeschlossen ist und die
erste, die zweite und die dritte Schaltung (220, 222, 224) eine
synthetische Masse (SG) bereitstellen.
2. Leistungsversorgungsgerät (10) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Schaltung einen ersten,
einen zweiten und einen dritten Kondensator (215, 217, 219)
aufweist, die an einem Ende an dem ersten, dem zweiten bzw. dem
dritten Knoten der Quelle (212) angeschlossen sind und am
anderen Ende an einem gemeinsamen Knoten (SG) angeschlossen sind.
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