LOESENBECK, Jan, Boris (Kantstrasse 18, Bielefeld, 33615, DE)
| P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Umrichter von der Bauart eines Durchflusswandlers zur Umwandlung einer dreiphasigen Primärspannung (Ul, U2, U3) in mehrere Sekundärspannungen (udl ... udn), der wenigstens drei Transformatorsekundärwicklungen (7, 8, 9) umfasst, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Umrichter an seiner Primärseite wenigstens drei Transformatoren (Tl, T2, T3) mit jeweils zwei gegensinnig gewickelten Primärwicklungen (1,2; 3,4; 5,6;) und jeweils wenigstens einer Sekundärwicklung (7, 8, 9) aufweist, und dass zwei elektronische Schalter (Sl, S2) vorgesehen sind, wobei der erste Schalter (Sl) jeweils eine Primärwicklung (1, 3, 5) der drei Transformatoren (Tl, T2, T3) über einen Diodensatz (Dl.l ... Dl.6) ansteuert und wobei der zweite Schalter (S2) jeweils eine andere Primärwicklung (2, 4, 6) der drei Transformatoren (Tl, T2, T3) über einen zweiten Diodensatz (D2.1... D2.6) ansteuert. 2. Umrichter nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Sekundärseite zum Betrieb von drei UV-Gasentladungslampen gleicher Bauart in Sternschaltung eingerichtet ist. 3. Umrichter nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Sekundärseite als eine Gleichrichterschaltung ausgeführt ist. 4. Umrichter nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Sekundärseite zum Betrieb eines auf dem Prinzip der stillen Entladung basierenden Ozonerzeugers eingerichtet ist. |
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Umrichter zur Erzeugung einer galvanisch getrennten Ausgangsspannung beliebiger Höhe aus einem Dreiphasennetz.
Als Umrichter bezeichnet man mit Leistungselektronik versehene
Schaltungen, die je nach Bedarf als Gleichrichter, als Wechselrichter oder zur Umwandlung von Wechselspannungen verschiedener Frequenzen ineinander dienen können.
Bei der Umwandlung aus einem Dreiphasennetz, beispielsweise dem öffentlichen Drehstromnetz, werden üblicherweise Umrichter mit sechs elektronischen Schaltern eingesetzt. Die verwendeten elektronischen Schalter sind in einer Umrichterschaltung die kostspieligsten
Bauelemente. Gerade bei Anlagen, in denen eine Vielzahl von
elektrischen Verbrauchern über Umrichter angesteuert werden muss, machen die elektronischen Schalter der Umrichter einen wesentlichen Kostenfaktor aus. Ein Beispiel einer solchen Anlage im öffentlichen Bereich ist die Abwasserdesinfektion mittels UV-Strahlung. Wenn hier Niederdruckstrahler eingesetzt werden, sind bei großen Anlagen teilweise über 100 Umrichter erforderlich.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Es besteht deshalb ein Bedarf an preiswerten Umrichtern.
Aus der Patentschrift AT 408 496 B ist ein als Gleichrichter arbeitender Umrichter von der Bauart eines Sperrwandlers bekannt, der mit nur zwei Leistungstransistoren aufgebaut ist. Bauartbedingt ist bei diesem
Umrichter der Wirkungsgrad für Anwendungen mit einem hohen
Energiebedarf ungünstig niedrig.
Die vorliegende Erfindung hat sich deshalb zur Aufgabe gestellt, einen Umrichter von der Bauart eines Durchflusswandlers zu schaffen, der preiswerter zu fertigen ist, mit weniger elektronischen Schaltern auskommt und vorzugsweise auch noch mehr als einen UV-Strahler in geeigneter Form speisen kann.
Diese Aufgabe wird von einem Umrichter mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst.
Weil der Umrichter von der Bauart eines Durchflusswandlers ist und drei Transformatoren mit jeweils zwei gegensinnig gewickelten
Primärwicklungen aufweist und weil weiter zwei elektronische Schalter vorgesehen sind, die jeweils eine Primärwicklung der drei
Transformatoren über einen Diodensatz ansteuern, kann in Abhängigkeit von der Speisespannung in jedem der drei Transformatoren
sekundärseitig eine Sekundärspannung nahezu beliebiger Frequenz und beliebiger Polarität erzeugt werden, wobei die Höhe der erzeugten
Spannung von dem Übersetzungsverhältnis des Transformators einerseits und der momentan anliegenden Höhe der Speisespannung andererseits abhängt. Letztere Einschränkung ist für zahlreiche Anwendungen, insbesondere für den Betrieb von Gasentladungslampen, ohne
Bedeutung.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Um- bzw. Gleichrichtern kommt der Zwei-Schalter-Umrichter mit einem Minimum an Bauelementen aus und weist trotzdem bezüglich der Netzrückwirkungen, des Wirkungsgrads und der Baugröße große Vorteile auf. Gerade im Hinblick auf den Betrieb von vielen Niederdruckstrahlern im Bereich von jeweils 500W oder den Betrieb von einigen
Mitteldruckstrahlern im Bereich von jeweils 10kW bietet dieses Prinzip große Kostenvorteile. Wenn die Sekundärseite als eine Gleichrichterschaltung ausgeführt ist, können relativ große Leistungen mit einem kompakten preiswerten Aufbau realisiert werden.
Wenn schließlich Umrichter die Sekundärseite zum Betrieb eines auf dem Prinzip der stillen Entladung basierenden, eine im wesentlichen kapazitive last darstellenden Ozonerzeugers eingerichtet ist, kann dieser sehr effektiv betrieben werden. Die elektrischen Verluste und die
Umrichterkosten sind gegenüber den für den Betrieb von Ozonerzeugern bekannten Umrichtern erheblich geringer.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen :
Figur 1 : Die prinzipielle Schaltung des Umrichters an der Primärseite;
Figur 2: Einen möglichen Verlauf der Ansteuersignale und der
Transformatorprimärspannung in der Schaltung gemäß Fig. 1;
Figur 3 : Eine Schaltung des Umrichters mit einer Sekundärseite, die für den Betrieb von drei Gasentladungslampen an einem Umrichter eingerichtet ist;
Figur 4: Die Schaltung gemäß Figur 3 in einem ersten Schaltzustand;
Figur 5 : Die Schaltung gemäß Figur 3 in einem zweiten Schaltzustand;
Figur 6: Eine anstelle der Lampen aus Fig. 5 einsetzbare Modifikation der
Schaltung gemäß Figur 3 mit jeweils einer Zündvorrichtung für die Gasentladungslampen;
Figur 7 : Eine anstelle der Lampen aus Fig. 5 einsetzbare Modifikation der
Schaltung nach Figur 6 mit jeweils einer zusätzlichen Heizvorrichtung für jede Gasentladungslampe;
Figur 8: Ein Beispiel für eine Ausführung des Sekundärbereichs der
Transformatoren, mit der sekundärseitig eine galvanisch getrennte Hilfsenergie erzeugt werden kann; Figur 9 : Eine Schaltung zur Verwendung der Spannung eines
Entlastungsnetzwerks als Hilfsspannung beispielsweise für die Zündung von Gasentladungslampen;
Figur 10: Die Lampenspannung udl des Umrichters nach Figur 3 für eine
Netzperiode; sowie Figur 11 : Den Netzstrom des Umrichters nach Figur 3.
Prinzipielle Schaltung und Funktion
Die prinzipielle Schaltung des neue Umrichters ist in der Figur 1
dargestellt. Die Primärseite des Umrichters ist mit einer dreiphasigen Eingangsspannung Ul, U2 und U3 verbunden. Der über Transformatoren Tl, T2 und T3 galvanisch entkoppelte Sekundärbereich ist nur als Block dargestellt. Mögliche Ausführungen des sekundären Bereichs werden weiter unten beschrieben.
Nachfolgend wird die Schaltung nun am Beispiel des Pfades der
Eingangsspannung Ul beschrieben. Die Eingangsspannung Ul liegt an dem Transformator Tl primärseitig an. Der Transformator Tl weist eine erste Primärwicklung 1 und eine zweite Primärwicklung 2 auf. Die
Primärwicklungen 1 und 2 sind gegensinnig gewickelt. Der
Wicklungsanfang der Primärwicklung 1 ist mit dem Wicklungsende der Primärwicklung 2 verbunden. Der andere Anschluss der Primärwicklung 1 ist an ein Diodenpaar Dl. l und Dl.4 angeschlossen. Die Dioden Dl. l und Dl.4 wiederum sind an die beiden gesteuerten Anschlüsse des Schalters Sl angeschlossen. Die primärseitige Wicklung 2 des Transformators Tl ist mit dem zweiten Anschluss an ein zweites Diodenpaar D2.1 und D2.4 angeschlossen. Die Dioden D2.1 und D2.4 wiederum sind an die beiden geschalteten Anschlüsse des Schalters S2 angeschlossen.
Entsprechend ist der Transformator T2 eingangsseitig mit der
Eingangsspannung U2 beaufschlagt. Auch der Transformator T2 weist eine erste Primärwicklung 3 und eine zweite Primärwicklung 4 auf, die gegensinnig zu der ersten Primärwicklung 3 gewickelt ist. Die erste Primärwicklung 3 ist mit dem zweiten Anschluss an ein Diodenpaar Dl.2 und Dl.5 angeschlossen. Dieses Diodenpaar ist wiederum mit den geschalteten Anschlüssen des Schalters Sl verbunden. Die zweite
Wicklung 4 des Transformator T2 ist mit einem Diodenpaar D2.2 und D2.5 verbunden. Die Dioden wiederum sind mit den geschalteten
Anschlüssen des Schalters S2 verbunden.
Der dritte Transformator T3 ist wie die beiden vorherigen
Transformatoren mit einer ersten Wicklung 5 und einer zweiten, gegensinnig gewickelten Wicklung 6 versehen. Die Wicklung 5 ist mit einem Diodenpaar Dl.3 und Dl.6 verbunden. Der Transformator 3 ist mit seiner zweiten Wicklung 6 mit einem Diodenpaar D2.3 und D2.6 verbunden.
Im primären Bereich sind also die beiden gegensinnigen
Primärwicklungen jeweils eingangsseitig mit der jeweiligen
Eingangsspannung verbunden. Ausgangsseitig ist je eine Primärwicklung einem Brückenzweig einer ungesteuerten B6-Brücke zugeordnet. Die beiden ungesteuerten B6-Brücken wiederum werden durch jeweils einen Schalter S, der hier als IG BT (Insulated Gate Bipolar Transistor) ausgeführt ist, gleichstromseitig abgeschlossen.
Im sekundären Bereich kann die dreiphasige Eingangsspannung Ul bis U3 in beliebig viele galvanisch getrennte Ausgangsspannungen udl bis udn umgewandelt werden.
Mit Hilfe der Schalter Sl und S2 und der Dioden Dl. l bis D2.6 wird in den Transformatoren Tl bis T3 das zur Energieübertragung benötigte Wechselfeld erzeugt. Ein beispielhafter Verlauf der Ansteuersignale US1GE und US2GE für die Schalter Sl und S2 und der resultierende Verlauf der beiden
Transformatorprimärspannungen von Transformator Tl sind in Figur 2 dargestellt. Die zeitversetzten Ansteuersignale steuern die über den getrennten Primärseiten des Transformators Tl liegenden Spannungen UT1P1 und UT1P2. Aus diesen folgt das magnetische Wechselfeld, mit dessen Hilfe die Energie in den sekundären Bereich übertragen wird. Der Energiefluss kann beispielsweise mit Hilfe einer Pulsweitenmodulation gesteuert werden. Beispiele für die Ausführung des sekundären Bereichs
Die Energie kann zur weiteren Nutzung sekundärseitig unterschiedlich weiterbehandelt werden, beispielsweise zur Speisung von drei Lampen, wie in Figur 3 prinzipiell abgebildet. Die drei im Stern geschalteten
Lampen LI, L2 und L3 werden durch drei ebenfalls im Stern geschaltete Sekundärwicklungen 7, 8 und 9 gespeist. Die Figuren 6 bis 9 stellen beispielhafte Modifikationen der prinzipiellen Schaltung aus Figur 3 dar.
Erläuterung einer beispielhaften Ausführungsform
Die Figuren 4 und 5 zeigen den Zwei-Schalter-Umrichter in einer
Schaltung zum Betrieb von drei Lampen, beispielsweise in bevorzugten Anwendung zum Betrieb von drei UV-Gasentladungslampen zur Wasseroder Abwasserbehandlung.
Dabei zeigt die Figur 4 den Schaltzustand a : Sl ist eingeschaltet, S2 ist ausgeschaltet. Die Figur 5 zeigt den Schaltzustand c: S2 eingeschaltet, Sl ausgeschaltet. Bei der Beschreibung der pulsfrequenten Schaltzustände soll
vereinfachend angenommen werden, dass die Netzperiodendauer sehr viel größer als die Pulsperiodendauer ist, die durch die Schaltfrequenz der Schalter Sl und S2 bestimmt ist. Diese Frequenz kann z.B. 1 kHz betragen. Folglich können während einer Pulsperiode die Netzspannungen Ul bis U3 als konstant angenommen werden. Als Beispiel soll hier nun ein Zeitpunkt innerhalb der Netzperiodendauer gewählt werden, zu dem Ul und U2 jeweils positiv sind und U3 negativ ist.
Drei pulsfrequente Schaltzustände a, b und c sind möglich : Während des Schaltzustands a soll der Schalter Sl eingeschaltet und der Schalter S2 ausgeschaltet sein. Während des Schaltzustands b sollen beide Schalter ausgeschaltet sein. Im Schaltzustand c soll schließlich der Schalter Sl ausgeschaltet und der Schalter S2 eingeschaltet sein. Nur während des in Figur 4 abgebildeten Schaltzustands a und während des in Figur 5 dargestellten Schaltzustands c wird Energie auf die Sekundärseiten übertragen. Die stromführenden Pfade in den beiden Figuren sind zur Verdeutlichung jeweils dick ausgeführt. Stromlose Pfade sind mit dünnen Linien dargestellt.
Schaltzustand a : Sl eingeschaltet, S2 ausgeschaltet
Dieser Schaltzustand ist in Figur 4 veranschaulicht. Der geschlossene Schalter Sl sorgt zusammen mit der vorgeschalteten ungesteuerten Bö- Brücke dafür, dass sich über der jeweils ersten Primärwicklung der drei Transformatoren Tl bis T3 ein symmetrisches dreiphasiges
Spannungssystem mit UT1P1, UT2P1 und UT3P1 ausbildet. Dieses Spannungssystem erscheint nun mit UTls, UT2s und UT3s transformiert auf den Sekundärseiten der Transformatoren und bildet die
symmetrischen Lampenspannungen Udl, Ud2 und Ud3.
Schaltzustand b: Sl ausgeschaltet, S2 ausgeschaltet
Das System ist stromfrei. Daher haben die Lampenspannungen den Wert Null. Schaltzustand c: Sl ausgeschaltet, S2 eingeschaltet
Dieser Schaltzustand ist in Figur 5 dargestellt. Hier haben die Schalter Sl und S2 die Rollen getauscht. Im Vergleich zu Schaltzustand a haben die Sekundärspannungen und damit die Lampenspannungen nun das
Vorzeichen gewechselt. Die Folge der Schaltzustände ist a,b,c,b,a,b,c, Die
Sekundärspannungen uTls bis uT3s können mit (1) wie folgt berechnet werden :
Schaltzustand a : S ] eingeschaltet
Schaltzustand b : S j und S 2 ausgeschaltet
Schaltzustand c :S 2 eingeschaltet
wobei ns/np das Verhältnis der Anzahl der Windungen der
Sekundärwicklung zu jeder der beiden Primärwicklungen ist. Die
Sekundärspannungen sind gleich den jeweiligen Lampenspannungen udl bis ud3.
In Figur 10 ist die Lampenspannung udl des Zwei-Schalter-Umrichters nach Figur 3 für eine Netzperiode abgebildet. Sie besteht aus
pulsfrequenten Blöcken mit jeweils einem positiven und einem negativen Block pro Pulsperiode. Der Betrag des Spitzenwerts des jeweiligen Blocks ist mit dem Faktor ns/np proportional zu dem Betrag der an der Phase anliegenden Netzspannung.
In Figur 11 ist der Netzstrom des Zwei-Schalter-Umrichters nach Figur 3 abgebildet. Er entspricht. dem jeweiligen Übertragerprimärstrom Er besteht aus pulsfrequenten Blöcken mit zwei gleichpoligen Blöcken pro Pulsperiode. Der Spitzenwert eines Blocks ist proportional zu der an der Phase anliegenden Netzspannung.