Geschichte

Problem

Nach meinem abgeschlossenen Studium an der TU-Wien war ich Forscher, Entwickler und Erfinder für eine große österreichische Firma, deren Konkurrenz es gelungen war, ihre Gleichspannungsversorgungen, sogenannte Konverter, zu verkleinern, indem sie Wechselrichter eingesetzt haben, wodurch die Geräte deutlich kleiner wurden.

Schaltet jedoch ein Wechselrichter eine Gleichspannung abwechselnd in positiver und negativer Richtung an einen Trafo, besteht die Gefahr der plötzlichen Sättigung des Transformatorkerns, worauf der Transformator einen Kurzschluss bildet. Die Lösungen aus den Jahren 1970-1990 werden derzeit digital neu entwickelt. Wechselrichter Konverter benötigen einen Trafo mit vergrößertem Luftspalt damit der Kern langsamer sättigt, Überdimensionierungen und zusätzliche Bauteile, und müssen relativ zur Schaltfrequenz quasistationär geregelt werden, während die größeren Vorwärtswandler diese Beschränkung nicht aufweisen. Der Sättigung wird vorgebeugt, indem zumindest 50% der Schaltperiodendauer keine Leistung übertragen, sondern der Trafokern entmagnetisiert wird. Auch wegen des hohen Filteraufwands, um die langen Pulspausen zu überbrücken, ist der Vorwärtswandler für größere Leistungen unwirtschaftlich. Die Dauer der Spannungsimpulse kann jedoch von einem Spannungsimpuls zum nächsten beliebig eingestellt werden, insbesondere kann jeder Spannungsimpuls jederzeit problemlos abgeschaltet werden, wenn der Laststrom einen Maximalwert übersteigt und ist der Lastkurzschluss einfach zu beherrschen.

Bei der Gleichspannunsgwandlung mit an Wechselrichter geschalteten Transformatoren (WRT) hingegen kann jede große Änderung der Pulsdauer zur Sättigung des Transformators und zu einer Betriebsunterbrechung führen. Mein Auftraggeber hatte zudem einen industriell bedeutsamen Anwendungsprozess entwickelt, der einen dynamischeren Konverter benötigte.

Für höhere Leistungen wird das Sicherheitsproblem der Gleichspannungswandlung mit einem materialintensiven und regeltechnisch anspruchsvollen Stromzwischenkreis gelöst, der den Gesamtaufwand verdoppelt und den Wirkungsgrad verringert. Der einstufige WRT Konverter der Konkurrenz war jedoch nicht einfacher oder schneller zu regeln. Sogenannte Zusatzverluste nehmen mit steigender Leistung zu. Um dynamisch anspruchsvolle Verbraucherprozesse (Solarkonverter, Elektroschweißen, Plasmahärten,…) zu steuern oder mit ausreichend konstanter Gleichspannung zu versorgen (Leistungsprozessoren, Roboter, Bestückungsautomat,…), sind auch hier ein großer Energiezwischenspeicher und eine weitere Regelstufe notwendig.

Lösung

Der große Erfolg meines ersten für die damaligen FET und IGBT Transistoren funktionierenden Lösungskonzeptes (Phase-Shift Vollbrückenwechselrichter, Trafo mit Luftspalt, PWM nach DE19634713A1 (1995)) hat bewiesen, dass das Wandern des Magnetisierungsstroms verhindert und die Beschränkung auf quasistationäre Stellung der Dauer der primären Spannungsimpulse überwunden werden kann, ohne dafür eine Messung zu benötigen. Frei von Leistungsdruck und Sachzwängen habe ich den Ansatz weiter entwickelt. Mein Patent AT511298B1 aus 2011 beschreibt die Puls zu Puls Strombegrenzung.

Doch müssen die Transistoren exakt schalten und ist die Anwendbarkeit dieses Lösungsansatzes auf FET und IGBT Wechselrichter begrenzt. Wenn der Magnetisierungsstrom wandert, sind große Veränderungen der Pulsbreite bzw. des Tastverhältnisses gefährlich. Die Tendenz des Wanderns des Magnetisierungsstroms nimmt mit der Schaltfrequenz zu. Der Vorteil der WBG Transistoren der um ein Vielfaches höheren Schaltfrequenz gegenüber FET und IGBT kann auf diese Weise nicht ausgenützt werden. WBG Transistor Geräte sind zwar kleiner aufgrund der höheren Schaltfrequenz, doch die Regelung/Begrenzung der Ausgangsgrößen ist wieder kompliziert.

Der Bedarf an leistungsfähigeren Gleichspannungsquellen steigt, z.B. aufgrund der hohen Lichtausbeute von Leuchtdioden und abnützungsfreier Inverterantriebe. Zudem stellen die Gleichstromverbraucher immer höhere Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Qualität der versorgenden Gleichspannung. Dieser Entwicklung steht, gerade weil die Leistungsschalter so schnell geworden sind, das Sättigungsproblem und die damit verbundenen Zusatzverluste im Wege.

Mit meiner österreichischen Anmeldung A 60209/2021 vom 18.8.2021 wird dieser Mangel behoben und ein allgemein anwendbares höchst effizientes Lösungskonzept beschrieben, das keinen Luftspalt im Trafokern und auch keine weiteren Überdimensionierungen mehr benötigt, sowie die Stellgeschwindigkeit und Lastkurzschlussfestigkeit eines Vorwärtswandlers aufweist.

Mit A 60209/2021 ist ein neues Lösungskonzept da, welches die Vorteile der WBG-Leistungsschalter zu nutzen vermag, den höchstmöglichen Wirkungsgrad aufweist und die Leistungsbeschränkung bei der transformatorischen Gleichspannungswandlung beseitigt.

Schließlich wird der Umbau des derzeitigen Dreiphasennetzes in ein effizienteres und platzsparenderes Gleichspannungsnetz denkbar.