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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Regelung der wenigstens einem Verbraucher mit linearer und/oder nichtlinearer Strom-Spannungscharakteristik über einen gesteuerten Schalter aus einem Versorgungsnetz zugeführten Leistung, wobei an den Steuereingang des gesteuerten Schalters eine Regelschaltung geführt ist, welche einen im wesentlichen sinusförmigen, vom Versorgungsnetz aufgenommenen Strom erzwingt, wobei eine Fühlschaltung vorgesehen ist.
Bei der Speisung von Verbrauchern aus einem allgemeinen Versorgungsnetz kann die vom Netz angebotene Spannung meist als belastungsunabhängig angesehen werden. Welcher Strom aus dem Netz aufgenommen wird, bestimmt weitgehend der Verbraucher durch seine Strom-Spannungscharakteristik.
Um Beeinflussungen an dasselbe Netz angeschlossener Verbraucher zu vermeiden, ist ein möglichst geringer Oberwellengehalt des vom Verbraucher aufgenommenen Stromes anzustreben (wenn vorausgesetzt werden kann, dass die Spannung vom Netz eingeprägt wird).
Zur Steuerung der von netzgespeisten Verbrauchern aufgenommenen Wirkleistung ist vor allem die Phasenanschnittsteuerung bekannt.
Den grössten Nachteil der Phasenanschnittsteuerungen stellt aber die vom Verbraucher durch den nichtsinusförmigen Laststrom in das Versorgungsnetz rückgespeiste Vielzahl der Harmonischen der Frequenz der Versorgungsspannung (Netzfrequenz) dar. In der Praxis wird durch relativ aufwendige Filteranordnungen eine Verringerung der in das Netz abgegebenen Energie der Harmonischen angestrebt und teilweise auch erreicht.
Die in der Praxis mehr in ihrer Leistung zu regelnden Verbraucher haben entweder Ohm'schen bzw. induktiven (Motore od. ähnl.) Charakter, sind jedoch im wesentlichen auf weitgehend lineare oder linearisierbare Strom-Spannungskennlinien rückführbar.
Der Betrieb von Lasten mit nichtlinearer, vor allem stark nichtlinearer Strom-Spannungskennlinie, wenn insbesondere in gewissen Kennlinienbereichen fallende Kennlinienäste mit negativem differentiellen Innenwiderstand auftreten, erfordert bei Leistungsregelungen nach dem Prinzip der Phasenanschnittsteuerung eine externe Strombegrenzung, damit die fallenden Kennlinienteile nicht zu Instabilitäten des Gesamtsystems führen können.
Bei Leistungsregelung durch Phasenanschnittsteuerung wird der Oberwellengehalt weitgehend durch die Phasenanschnittsteuerung selbst vorgerufen und durch die Linearisierung der Kennlinie der Last durch Strombegrenzung od. ähnl. nicht wesentlich beeinflusst.
Ferner sind Schaltungsanordnungen der eingangs genannten Art bekannt, bei welchen die Versorgungswechselspannung mit einer relativ hohen Schaltfrequenz zerhackt wird. Das Tastverhältnis dieser zerhackten Versorgungsspannung bestimmt die Leistung, die dem Verbraucher zur Verfügung steht, wobei implizit angenommen werden muss, dass der Verbraucher entweder selbst integrierende Eigenschaften hat, oder durch ein geeignetes Netzwerk diese herbeigeführt werden.
Trotz der vorgesehenen Regelschaltung ist es bei diesen bekannten Schaltungsanordnungen, insbesondere bei nichtlinearer Last, nicht möglich, das durch das Zerhacken und durch die Pulsbreitenmodulation produzierte Harmonischen-Spektrum, das ausserordentlich breit ist und mit hoher spektraler Energiedichte bei tiefen wie hohen Frquenzen auftritt, in einem ausreichenden Masse zu beherrschen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass die Amplituden der in das Versorgungsnetz rückgespeisten Störharmonischen, insbesondere jener niedriger Ordnung, stark herabgesetzt bzw. in einen solchen Frequenzbereich transportiert werden, wo sie mit einfachen Mitteln der Schaltungs- bzw. Siebtechnik beherrscht werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass an einem Eingang der Regelschaltung der Ausgang eines den Mittelwert des Momentanwertes des Laststromes, insbesondere den über wenigstens eine Schaltperiode des gesteuerten Schalters ermittelten Momentanwert des Laststromes bildender Mittelwertbildner geführt ist, dessen Eingang mit der Fühlschaltung zur Laststromerfassung verbunden ist, wobei an diesem einen Eingang der Regelschaltung eine dem Mittelwert des Laststromes entsprechende Grösse als Istgrösse anliegt, und ein anderer Eingang der Regelschaltung mit einer Sollwertvorgabeschaltung verbunden ist, und dass der Ausgang der Regelschaltung entweder direkt oder über eine Umsetzschaltung, wie z.
B. eine Pulsweitenmodulationsschaltung oder eine Impulsbreiten-Auswahllogik als Tastverhältniseinsteller, an den Steuereingang des gesteuerten Schalters geführt ist.
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Das Steuersignal des Schalters kann ein übliches Impulssignal sein. Es kann aber auch aus der Sicht der schaltungstechnischen Realisierung des Pulsweitenmodulators oder auf Grund der psychikalischen Eigenschaften (Stromspannungskennlinie) des zu steuernden Verbrauchers günstig sein, die einzelnen, sich z. B. im Rahmen eines Pulsweitenmodulationsvorganges wiederholenden Impulse eines üblichen Impulssignals durch eine definierte Folge von (noch kürzeren) Einzelimpulsen (Burst) zu ersetzen, so dass nach dem Modulationsvorgang ein sogenanntes Multiburstsignal entsteht. Eine Zuordnung zwischen den beiden Signalen ist z. B. über die Strom-Zeit-bzw.
Spannungs-Zeit-Fläche möglich. Wenn nun im Zusammenhang mit einem solchen Multiburstsignal von einer Änderung des Tastverhältnisses gesprochen wird, so bedeutet dies die Änderung des Tastverhältnisses des die Burstimpulse umhüllenden Impulssignals.
Die Regelschaltung erfasst erfindungsgemäss die Abweichung des Mittelwertes des Laststromes von einer sich in Abhängigkeit von der Zeit sinusförmig ändernden Sollgrösse, die in ihrem Zeitablauf starr mit der Netzfrequenz verkoppelt ist und regelt in Abhängigkeit von dieser erfassten Abweichung das Tastverhältnis des Steuersignals (Schaltsignals) des Schalters auf einen solchen Wert ein, dass der vom Versorgungsnetz aufgenommene Strom einen sinusförmigen Mittelwert hat.
Es ergibt sich hiedurch insbesondere ein Minimum der Amplituden der Störharmonischen niedriger Ordnung (d. h. tiefer Frequenzen) ; die Harmonischen bei hohen Frequenzen werden davon nur wenig beeinflusst, jedoch ist die Unterdrückung von höherfrequenten Störungen mit Siebmitteln geringer Verluste sowie geringem Gewicht möglich, da die Werte für Induktivität und Kapazität der Filterelemente entsprechend der Schaltfrequenz viel kleiner sind, als wenn man die Frequenz des Versorgungsnetzes zugrunde legen würde.
Der Wert der Schaltfrequenz, die die Periodendauer z. B. von Pulsweitenmodulationsimpulsen bestimmt, ist prinzipiell nicht mehr frei wählbar, sondern durch das gewünschte Mass der Unterdrückung der tieffrequenten Anteile des Harmonischen-Spektrums bestimmt.
Die obere Grenze für die Amplitude der betrachteten Harmonischen sinkt zumindest quadratisch mit dem Frequenzverhältnis von Netzversorgungsfrequenz und Schaltfrequenz und steigt mit der Ordnungszahl der Harmonischen.
Erhalten bleibt jedoch die Abhängigkeit des Maximums der tieffrequenten Harmonischen von dem Frequenzverhältnis zwischen Netzfrequenz und Schaltfrequenz.
Die Anwendung dieses Minimierungsschrittes für die niederfrequenten Harmonischen bringt besonders dann Vorteile, wenn es sich bei dem Verbraucher um ein Element mit partiell fallenden Kennlinienästen handelt. Die Steuerung der Impulsweite erfolgt durch die erfindungsgemässe Regelschaltung, in der die Führungsgrösse der Regelung den sinusförmigen Zeitmittelwert des Stromes, der aus dem Netz entnommen wird, erzwingt.
Jedoch ist eine solche Anordnung, die das Tastverhältnis durch eine Regelung dem jeweiligen Arbeitspunkt auf der Strom-Spannungskennlinie der Last anpasst, nicht auf den Betrieb von Verbrauchern mit nichtlinearer Strom-Spannungskennlinie beschränkt, sondern allgemein sowohl für den Betrieb von Lasten mit linearer, wie auch nichtlinearer Kennlinie mit oder ohne fallenden Kennlinienteilen geeignet. Dies stellt im Vergleich zu den bekannten Schaltungsanordnungen einen wesentlichen Vorteil der erfindungsgemässen Anordnung dar.
Die schaltungstechnische Realisierung der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung kann entweder in Analog- oder Digitaltechnik aber auch in einer Mischtechnik unter Verwendung von Analog- - Digitalwandler bzw. Digital-Analogwandler erfolgen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Anordnung in Analogtechnik besteht darin, dass in der Regelschaltung ein Differenzbildner vorgesehen ist, an dessen Ausgang ein Fehlerverstärker anliegt und dessen Ausgang über den Analog-Digitalwandler an die als Umsetz- - Primär logik arbeitende Umsetzschaltung (22) zur Änderung des Tastverhältnisses des Steuersignals des Schalters in Abhängigkeit von der jeweiligen Fehlergrösse angeschlossen ist.
Bevorzugt besteht die Sollwertvorgabeschaltung hiebei aus einer Multiplizierschaltung, an deren einen Eingang eine der Spannung des Versorgungsnetzes proportionale Spannung und an deren andern Eingang eine konstante Spannung anliegt, deren Wert als Langzeit-Sollwertvorgabe ein Mass für die vom Verbraucher aufzunehmende Leistung ist, und an deren Ausgang eine sinusförmige, mit der Frequenz des Versorgungsnetzes starr verkoppelte Sollwertgrösse auftritt.
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ordnet ist. Durch den Bipolartransistor --6-- wird das Schalten einer an den Punkten A und B anliegenden Wechselspannung ermöglicht.
Zur Erläuterung der Funktionsweise des Schalters zeigt Fig. 4 die Spannung an der Last --1--,
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des Schalters zeigt.
Eine weitere Ausführungsform eines für eine erfindungsgemässe Schaltung verwendbaren Schalters zeigt Fig. 3, gemäss welcher der Schalter aus einem Leistungs-MOS-Feldeffekttransistor besteht, der im wesentlichen ein symmetrisches Ausgangsverhalten zeigt ; er wird direkt zum Schalten von Wechselspannungen verwendet. Die Steuerung erfolgt durch das am Punkt C anliegende Potential.
Der Nachteil der potentialgebundenen Ansteuerung kann durch die Verwendung eines Optokopplers behoben werden, wobei die direkte optische Ansteuerung des Leistungsschaltelementes in bipolarer wie in MOS-Technik möglich ist. Fig. 7 zeigt einen solchen optisch gesteuerten Feldeffekttransistor.
Eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung in Analogtechnik zeigt Fig. 8.
Die Fühlschaltung --3-- besteht zweckmässig aus einem vom Laststrom durchflossenen Widerstand oder Stromwandler bzw. aus einem magnetfeldsensitiven Bauelement, welches das vom Laststrom erzeugte Magnetfeld erfasst.
Der an diese Fühlschaltung-3-angeschlossene Mittelwertbildner-5-, z. B. ein handels- üblicher Mittelwertbildner, z. B. der TRUE-RMS Konverterbaustein, Type AD 442 (Analog Devices), wandelt das dem Momentanwert des Laststromes proportionale Signal der Fühlschaltung --3-- in ein dem Mittelwert des Laststromes proportionales Signal um, wobei die Mittelung sich über eine oder mehrere Perioden des Schaltsignals erstrecken kann.
Die Realisierung des Mittelwertbildners kann z. B. auch durch einen Abtast- und Haltekreis in Verbindung mit einem gesteuerten Integrierglied zur Bildung des Mittelwertes erfolgen.
Die Sollwertvorgabeschaltung --6-- besteht in ihrer einfachsten Ausführungsform aus einer Multiplizierschaltung-9- ; ein Eingang der Multiplizierschaltung --9-- ist mit einem Abgriff eines am Versorgungsnetz liegenden Spannungsteilers --8-- verbunden. An einem zweiten Eingang der Multiplizierschaltung liegt das Stellsignal. Die multiplikative Verknüpfung dieser beiden Signale ergibt ein dem Sollwert des durch das Stellsignal vorgegebenen Effektivwertes des Laststromes proportionales Signal, das an einem Eingang eines Differenzbildners --10-- anliegt. Der andere Eingang des Differenzbildners --10-- ist mit dem Ausgang des Mittelwertbildners --5-- verbunden.
Das Differenzsignal wird anschliessend in einem Fehlerverstärker --11-- verstärkt und liegt an einem Steuereingang einer Umsetzschaltung --12-- an. Die Umsetzschaltung steuert das Tastverhältnis der von einem Taktgenerator --13-- erzeugten Schaltimpulse in Abhängigkeit von dem verstärkten Differenzsignal des Differenzbildners --10--. Der Ausgang der Umsetzschaltung --12-steuert über einen Ansteuerkreis --14-- den Schalter und bestimmt dessen Öffnungs- und Schliesszeitpunkte. Bei bestimmten Ausführungsformen des Schalters --2--, wie z. B. solchen in Form eines OPTO-FETs, kann das Ausgangssignal der Umsetzschaltung den Schalter direkt ansteuern.
Durch die Umsetzschaltung kann das Tastverhältnis des Impulssignals bzw. des impulsförmigen Hüllsignals des Multiburstsignals in zweifacher Weise verändert werden. Entweder kann bei konstanter Taktfrequenz (Ansteuerfrequenz) die Impulsweite verändert werden (Pulsweitenmodulation) oder es kann bei konstanter Impulsweite die Schaltfrequenz verändert werden. Beim Multiburstsignal kann durch die Zahl der im Bund enthaltenen Einzelimpulse ebenfalls eine derartige Pulsbreitenmodulation realisiert werden.
Generator, Differenzbildner, Fehlerverstärker, Umsetzschaltung und Ansteuerkreis können durch handelsübliche Bausteine der Analogrechentechnik realisiert werden. So kann der Differenzbildner - und der Fehlerverstärker --11-- aus den. Bausteinen LF 351 bzw. LF 741 und die Umsetzschaltung samt Generator aus dem Pulsbreitenmodulatorbaustein LM 3524 der Fa. National Semiconductor bestehen. Der Ansteuerkreis kann z. B. aus einer üblichen Transistor-Treiberstufe bestehen.
Fig. 10 zeigt eine in digitaler Technik realisierte erfindungsgemässe Schaltungsanordnung.
Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht die Regelschaltung aus einer Auswahllogik --15--. Diese
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T = Periodendauer des PMW-Signals.
Das Tastverhältnis des Schaltersteuersignals ergibt sich aus der Formel :
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Z = Zählerstand des Vor-Rückwärtszählers.
Fig. 12 zeigt eine in Analog- und Digitaltechnik realisierte erfindungsgemässe Schaltungsanordnung. Der wesentliche Unterschied dieser Ausführungsform gegenüber jener gemäss Fig. 10 besteht darin, dass der Ist-Sollwertvergleich analog erfolgt. Hiezu ist, wie bei der Ausführungsform gemäss Fig. 8, ein Differenzbildner --10-- und ein Fehlerverstärker --11-- vorgesehen.
Fühlschaltung --3-- und Mittelwertbildner --5-- entsprechen hinsichtlich ihrer Funktion und Ausbildung den entsprechenden Schaltungen in den vorhergehend beschriebenen Ausführungsbeispielen. Die Sollwertvorgabeschaltung --6-- ist mit jener gemäss Fig. 10 identisch, umfasst also gleichfalls eine Phasenregelschleife --16-- und einen Festwertspeicher --17--. Der Ausgang der digital arbeitenden Sollwertvorgabeschaltung --6-- ist über einen Digital/Analogwandler --20-an den Sollwerteingang des Differenzbildners --10-- angeschlossen.
Der Ausgang des Fehlerverstärkers --11-- liegt über einen Analog/Digitalwandler --21-- an einer Umsetzlogik --22--, die in Abhängigkeit von diesen Eingangssignalen das Tastverhältnis des ihr von der Sollwertvorgabeschaltung zugeführten Impulssignals in Übereinstimmung mit der Erfindung derart steuert, dass ein sinusförmiger Mittelwert des Laststromes erzwungen wird. Das Ausgangssignal der Umsetzschaltung, dessen Tastverhältnis bestimmt ist für den zu erzwingenden sinusförmigen Mittelwert des Laststromes, wird, gegebenenfalls über einen Ansteuerkreis --23--, als Schaltsteuerspannung dem Schalter --2-- zugeführt. Ob ein Ansteuerkreis verwendet wird, hängt - wie bereits erwähnt-von der schaltungstechnischen Konzeption des Schalters ab.
Die schaltungstechnische Realisierung der Umsetzlogik --22-- kann beispielsweise bestehen in der Kombination aus einem Taktgenerator, einer Torschaltung und einem Flip-Flop, die ein Signal gemäss Fig. 6b erzeugen und die durch Bauelemente einer Logikschaltkreisfamilie, z. B. in TTL, MOS oder 12L-Technik realisiert sind.
Mit der vorstehend beschriebenen erfindungsgemässen Schaltungsanordnung ist es, wie bereits erwähnt, unmöglich, ein Minimum der Amplituden der Störharmonischen niedriger Ordnung zu erhalten. Die Störharmonischen höherer Ordnung können durch übliche, kosten- sowie platzsparende Filterschaltungen beherrscht werden. Eine solche Filterschaltung ist in Fig. l durch den strichliert gezeichneten Vierpol --40-- angedeutet.
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