DE1117695B

DE1117695B - Arrangement for voltage conversion with galvanic separation of the input circuit from the output circuit

Info

Publication number: DE1117695B
Application number: DES64526A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Gottfried Hoelzenbein
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1959-08-20
Filing date: 1959-08-20
Publication date: 1961-11-23
Also published as: BE591002A; LU38620A1

Description

Anordnung zur Spannungswandlung unter galvanischer Trennung des Eingangskreises vom Ausgangskreis In der industriellen Antriebstechnik liegt vielfach die Aufgabe vor, eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung kleiner Frequenz unter galvanischer Trennung in eine proportionale Gleichspannung anderer Höhe umzuwandeln. Diese Aufgabe ist beispielsweise bei geregelten Walzwerkantrieben gegeben, bei denen relativ hohe Gleichspannungen bis zu einigen tausend Volt als Meß- oder Regelgröße in Betracht kommen, oder bei z. B. in der Förder- und Hebezeugtechnik angewendeten Langsamantrieben mit Wechselstrom kleiner Frequenz von nur einigen Hertz. Regelkreise erfordern nämlich meistens eine in einem bestimmten Bereich liegende Eingangsgleichspannung. Aber auch für Meß- und Steuerzwecke ist es aus Anpassungsgründen von Vorteil, wenn die Möglichkeit zur Spannungswandlung und zur galvanischen Trennung zwischen Ausgangsspannung uni dem eigentlichen Meß- oder Steuerkreis besteht.Arrangement for voltage conversion with galvanic separation of the input circuit from the starting circuit In industrial drive technology, there is often a task before, a direct voltage or an alternating voltage of low frequency under galvanic To convert separation into a proportional DC voltage of a different magnitude. This task is given, for example, in regulated rolling mill drives, where relatively high DC voltages of up to a few thousand volts can be considered as a measured or controlled variable come, or at z. B. used in the conveyor and hoisting technology slow drives with alternating current of low frequency of only a few Hertz. Control loops require namely mostly a DC input voltage lying in a certain range. but For reasons of adaptation, it is also advantageous for measurement and control purposes if the Possibility of voltage conversion and galvanic isolation between the output voltage uni the actual measuring or control circuit.

Bei höherfrequenten Wechselströmen wird die Aufgabe der Spannungswandlung und der galvanischen Trennung durch einen Transformator ohne weiteres erfüllt. Wenn jedoch die Frequenz zu niedrig wird, als daß eine Transformation mit wirtschaftlichem Aufwand noch möglich wäre, beispielsweise bei Frequenzen unter etwa 20 Hz, so müssen andere Wege beschritten werden.In the case of higher-frequency alternating currents, the task of voltage conversion becomes and the galvanic isolation by a transformer is easily fulfilled. if however, the frequency becomes too low for a transformation with economic Effort would still be possible, for example at frequencies below about 20 Hz, so must other paths are taken.

Es sind schon verschiedene Einrichtungen und Geräte zur Gleich- und Wechselspannungswandlung unter galvanischer Trennung des Eingangs- vom Ausgangskreis bekannt. So kann man hierzu einen Magnetverstärker bzw. Transduktor verwenden, der mit der zu untersuchenden Gleich- oder Wechselspannung niedriger Frequenz vormagnetisiert wird. Hierzu ist es aber erforderlich, die mit der Meßgröße zu beeinflussende Hilfswechselspannung durch besondere Mit tel konstant zu halten. Ferner muß eine Gegentaktschaltung angewendet werden, wenn eine vorzeichenempfindliche Übertragung gefordert wird. Außerdem sind besondere Maßnahmen erforderlich, um die Zeitkonstante und die Oberwellen klein genug halten zu können. Der Aufwand ist also relativ hoch.There are already various facilities and devices for the same and AC voltage conversion with galvanic separation of the input from the output circuit known. So you can use a magnetic amplifier or transducer for this purpose, which premagnetized with the DC or AC voltage to be examined at a low frequency will. For this, however, it is necessary to use the auxiliary AC voltage to be influenced by the measured variable to be kept constant by special means. Furthermore, a push-pull circuit must be used if a sign-sensitive transmission is required. Also are special measures are required to keep the time constant and the harmonics small to be able to hold up enough. The effort is therefore relatively high.

Ferner ist schon vorgeschlagen worden, zur Spannungswandlung eine Hellanordnung zu verwenden, deren Magnetfeld in Abhängigkeit von der zu untersuchenden Spannung steht. Auch hierbei muß der Steuerstrom für den Hallspannungserzeuger konstan, gehalten werden. Außerdem ist die Hellspannung meistens zu gering, als daß sie in Regelkreisen unmittelbar verarbeitet werden könnte. Es sind deshalb Meßverstärker erforderlich. Nachteilig ist auch die Temperaturabhängigkeit der Hallspannungserzeuger und der hohe Preis derartiger Anordnungen. Es ist auch schon bekannt, die Gleichspannung vorübergehend in eine Wechselspannung umzuwandeln, diese zu transformieren und dann wieder gleichzurichten. Hierzu werden entweder mechanische Zerhacker oder Transistor-Zerhacker verwendet. Mechanischen Zerhackem haftet der allen Kontaktanordnungen eigene Nachteil der Wartungsbedürftigkeit und der begrenzten Lebensdauer an, und Transistor-Zerhacker erfordern eine bestimmte Mindestspannung, so daß es nicht ohne weiteres möglich ist, eine gegen öder durch Null gehende Spannung linear zu übertragen. Auch ist der Spannungsbereich nach oben hin begrenzt. Transistoren haben außerdem eine begrenzte Leistung und weisen ebenfalls einen Temperaturgang auf.Furthermore, it has already been proposed to convert a voltage To use light arrangement, whose magnetic field depends on the one to be examined There is tension. Here, too, the control current for the Hall voltage generator must be constant, being held. In addition, the light voltage is usually too low to be used in Control loops could be processed immediately. They are therefore measuring amplifiers necessary. The temperature dependency of the Hall voltage generator is also disadvantageous and the high cost of such arrangements. It is already known, the DC voltage temporarily converting it into an alternating voltage, transforming it and then to rectify again. Either mechanical chopper or transistor chopper are used for this used. Mechanical chopping has the inherent disadvantage of all contact arrangements maintenance and limited life, and transistor chopper require a certain minimum voltage, so that it is not easily possible is to linearly transfer a voltage tending towards or through zero. Also is the voltage range is limited upwards. Transistors also have a limited amount Performance and also have a temperature response.

Die Erfindung vermeidet diese Nachteile. Sie betrifft eine Anordnung zur Spannungswandlung unter galvanischer Trennung des Eingangskreises vom Ausgangskreis für Gleich- und Wechselspannung mit relativ zur Netzfrequenz kleiner Frequenz zu Meß-, Steuer- und Regelzwecken, insbesondere für industrielle Antriebe, und besteht darin, daß die Anordnung aus einem an sich bekannten, mit ungesteuerten Dioden, vorzugsweise Halbleiterdioden, bestückten Ringmodulator besteht, dessen Ausgangssignal über Gleichrichter abgenommen wird. Ein derartiger Fingmodulator kann als Modulations-Wechselspannung die Netzspannung benutzen. Da diese Hilfsspannung an der Sekundärseite des Modulator-Transformators nicht mehr auftritt, muß sie nicht konstant gehalten werden. Bei Änderung der Polarität einer zu übertragenden Gleichspannung ändert sich die Phase der Modulator-Ausgangsspannung um 180° e1. Man braucht daher dem Modulator-Transformator lediglich eine phasenempfindliche GleichrichterschaltunS nachzuordnen, um ein vorzeichengetreues Spannungs. abbild zu erhalten. Der Ringmodulator hat außerdem den Vorteil, daß er einen außerordentlich hohen Spannungsbereich umfaßt und bei geeigneter Bemessung seiner einzelnen Schaltelemente selbst in unmittelbarer Nähe des Nulldurchganges eine für alle praktischen Bedürfnisse ausreichende Linearität aufweist. Die Zeitkonstante ist äußerst gering und liegt bei optimaler Auslegung etwa in der Größenordnung von einer halben bis einer Periode der Modulationsfrequenz. Durch Erhöhung derselben kann sie beliebig klein gemacht werden. Der gerätemäßige Aufwand ist gering. Der Wandler ist daher auch erheblich billiger als die bekannten Anordnungen. Da die Ausgangs-Wechselspannung des Modulators eine angenähert rechteckige Kurvenform aufweist, ist für die gleichgerichtete Spannung der Aufwand an Glättungsmitteln nur gering.The invention avoids these disadvantages. It concerns an arrangement for voltage conversion with galvanic separation of the input circuit from the output circuit for direct and alternating voltage with a frequency that is lower relative to the mains frequency Measurement, control and regulation purposes, in particular for industrial drives, and consists in that the arrangement consists of a known, with uncontrolled diodes, preferably semiconductor diodes, equipped ring modulator, whose output signal is removed via rectifier. Such a finger modulator can be used as a modulation alternating voltage use the mains voltage. Because this auxiliary voltage is on the secondary side of the modulator transformer no longer occurs, it need not be kept constant. When changing polarity one to be transferred DC voltage changes the phase of the Modulator output voltage by 180 ° e1. You therefore need the modulator-transformer only a phase-sensitive rectifier circuit is to be arranged afterwards in order to have a correct sign Tension. image. The ring modulator also has the advantage that he covers an extraordinarily high voltage range and if dimensioned appropriately its individual switching elements even in the immediate vicinity of the zero crossing has sufficient linearity for all practical needs. The time constant is extremely small and, when optimally designed, is in the order of magnitude of half a period to one period of the modulation frequency. By increasing it it can be made as small as you want. The outlay in terms of equipment is low. Of the Converter is therefore also considerably cheaper than the known arrangements. Since the AC output voltage of the modulator has an approximately rectangular curve shape, the effort of smoothing agents is only low for the rectified voltage.

An Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung noch näher beschrieben.On the basis of the embodiment shown in the drawing the invention described in more detail.

In der Zeichnung ist mit 1 ein Eingangs-Spannungsteiler, mit 2 der Ringmodulator und mit 3 ein Ausgangs-Gleichrichter bezeichnet. Der Eingangs-Spannungsteiler 1 besteht aus den Widerständen r 8, r 1, r9 und r10. Letzterer ist mit einer Reihe von Anzapfungen versehen zum Anpassen an den Spannungsbereich der Eingangs-Gleichspannung Ui. Diese sei beispielsweise durch einen Spannungsregler auf innerhalb weiter Grenzen beliebig einstellbare Werte konstant zu halten und betrage etwa 1500V. Spannungsregler sind aber gewöhnlich so beschaffen, daß die Sollspannung, mit der die Istspannung zur Bildung der Regelabweichung verglichen wird, selten erheblich höher als etwa 100V liegt. Außerdem erfordern insbesondere mit Transistoren arbeitende Spannungsregler eine galvanische Trennung im Eingang des Reglers. Der diesem Zweck dienende Ringmodulatorwandler besteht aus den Dioden n 1 bis n 4 mit den vorgeschalteten Sperrwiderständen r4 bis r7. Vorzugsweise werden Halbleiterdioden verwendet. Die vom Spannungsteiler 1 abgenommene Gleichspannung wird über die zum Zwecke der Ringsymmetrierung als Einstellpotentiometer ausgeführten Widerstände r2 und r3 eingespeist. Die Modulations-Wechselspannung, die einem Transformator m 2 entstammt, fließt dem Ringmodulator einerseits über die Symmetrierwiderstände r2 und r3 und andererseits über den Mittelabgriff des Modulator-Transformators m 1 zu. Dabei dient der als Einstellpotentiometer ausgebildete Widerstand r1 wieder zur Symmetrierung, während die beiden Widerstände r8 und r9 zu: gleichmäßigen Einkopplung der Modulations-Wechselspannung vorgesehen sind. Die drei Widerstände r 1, r8 und r9 haben somit gleichzeitig zwei Aufgaben zu erfüllen. Der Transformator m 2 kann primärseitig an das Wechselstromnetz üblicher Frequenz angeschlossen sein. Wenn jedoch für den Spannungswandler eine besonders kleine Zeitkonstante gefordert wird, so kann als Modulationsfrequenz auch eine höhere Frequenz verwendet werden.In the drawing, 1 denotes an input voltage divider, 2 denotes the ring modulator and 3 denotes an output rectifier. The input voltage divider 1 consists of the resistors r 8, r 1, r9 and r10. The latter is provided with a number of taps for adapting to the voltage range of the input DC voltage Ui. This is to be kept constant, for example by means of a voltage regulator, at values that can be set at will within wide limits and is around 1500V. Voltage regulators are usually designed in such a way that the nominal voltage with which the actual voltage is compared to form the control deviation is seldom significantly higher than about 100V. In addition, voltage regulators that work with transistors, in particular, require galvanic isolation in the input of the regulator. The ring modulator converter used for this purpose consists of diodes n 1 to n 4 with the upstream blocking resistors r4 to r7. Semiconductor diodes are preferably used. The DC voltage taken from the voltage divider 1 is fed in via the resistors r2 and r3, which are designed as setting potentiometers for the purpose of ring balancing. The modulation AC voltage, which originates from a transformer m 2, flows to the ring modulator on the one hand via the balancing resistors r2 and r3 and on the other hand via the center tap of the modulator-transformer m 1. The resistor r1, which is designed as an adjusting potentiometer, is again used for balancing, while the two resistors r8 and r9 are provided for uniform coupling of the alternating modulation voltage. The three resistors r 1, r8 and r9 thus have two tasks to perform at the same time. The transformer m 2 can be connected on the primary side to the alternating current network of the usual frequency. However, if a particularly small time constant is required for the voltage converter, a higher frequency can also be used as the modulation frequency.

Entsprechend der bekannten Wirkung des Ringmodulators ist die -über eine Sekundärwicklung des Modulator-Transformators m 1 abzunehmende Spannung praktisch in Phase mit der Modulations-Wechselspannung, wenn die Eingangs-Gleichspannung positiv ist; ist dagegen die Eingangsspannung negativ, so ist die Ausgangsspannung um 180° gegenüber der Modulations-Wechselspannung verschoben.Corresponding to the known effect of the ring modulator, the -over a secondary winding of the modulator-transformer m 1 to be removed voltage practically in phase with the modulation AC voltage when the input DC voltage is positive is; on the other hand, if the input voltage is negative, the output voltage is 180 ° shifted compared to the modulation alternating voltage.

Die Ausgangsspannung des Modulators 2 kann durch einfache Gleichrichteranordnung, z. B. mittels einer einfachen Trockengleichrichterbrücke, gleichgerichtet werden. Man erhält dann eine der Höhe der Eingangs-Gleichspannung Ui prol:ortionale, jedoch von ihrer Polarität unabhängige Gleichspannung in einem von der Eingangsspannung galvanisch getrennten Stromkreis, wobei die Ausgangs-Gleichspannung zur Eingangs-Gleichspannung in einem durch die Größe der verwendeten Widerstände und das Übersetzungsverhältnis des Modulator-Transformators m 1 bestimmten Verhältnis steht.The output voltage of the modulator 2 can be adjusted by a simple rectifier arrangement, z. B. can be rectified by means of a simple dry rectifier bridge. One then obtains a level equal to the input DC voltage Ui prol: ortionale, however DC voltage independent of its polarity in one of the input voltage galvanically isolated circuit, the output DC voltage to the input DC voltage in one by the size of the resistors used and the gear ratio of the modulator-transformer m 1 is a certain ratio.

Wenn jedoch, wie es bei Regelkreisen fast immer der Fall ist, die Ausgangs-Gleichspannung auch in ihrem Vorzeichen mit der Eingangsspannung übereinstimmen soll, so kann man eine phasenempfindliche Gleichrichterschaltung verwenden. Eine solche phasenempfindliche Gleichrichterschaltung ist bei 3 dargestellt. Sie besteht aus den beiden Gleichrichterbrücken 4 und 5 mit den zu deren Grundbelastung dienenden Widerständen r13 und r14. Diese sind über den als Einstellpotentiometer ausgeführten Widerstand r12 parallel zur zugeordneten Gleichrichterbrücke geschaltet. Das Potentiometer r12 dient dabei zur Symmetrierung der beiden Gleichrichterbrücken. Jede der beiden Gleichrichterbrücken 4 und 5 wird über je eine Sekundärwicklung des Modulator-Transformators m 1 und je eine dazu in Reihe liegende Tertiärwicklung des Netztransformators m 2 so gespeist, daß der einen Brücke die Summe und der anderen Brücke die Differenz aus der Modulations-Wechselspannung und der Modulator-Ausgangsspannung zufließt. In den Klemmen 6, 7 entsteht dadurch eine Gleichspannung, die in ihrer Höhe dem Zweifachen der Modulator-Ausgangsspannung entspricht. Sie ist proportional der Eingangsspannung U1 und wechselt mit dieser ihr Vorzeichen.If, however, as is almost always the case with control loops, the DC output voltage also have the same sign as the input voltage should, you can use a phase-sensitive rectifier circuit. One such a phase-sensitive rectifier circuit is shown at 3. she consists from the two rectifier bridges 4 and 5 with those used for their base load Resistors r13 and r14. These are implemented as a setting potentiometer Resistor r12 connected in parallel to the assigned rectifier bridge. The potentiometer r12 serves to balance the two rectifier bridges. Either of the two Rectifier bridges 4 and 5 each have a secondary winding of the modulator transformer m 1 and a tertiary winding of the network transformer m in series with it 2 fed in such a way that one bridge is the sum and the other bridge the difference from the modulation AC voltage and the modulator output voltage. In the terminals 6, 7 this creates a DC voltage, the level of the Corresponds to twice the modulator output voltage. It is proportional to the input voltage U1 and changes its sign with this.

Wählt man die Widerstandswerte der linearen ohmschen Widerstände r4 bis r7 im Verhältnis zu den Innenwiderständen der zugehörigen Dioden n 1 bis n4 ausreichend groß, so bleibt die Nichtlinearität derselben sowie ihr Temperaturgang praktisch ohne Einfluß, und man erhält eine für Regel- und sonstige Meßzwecke ausreichend lineare Abhängigkeit zwischen Eingangsspannung U1 und Ausgangsspannung U2. Dabei ist von besonderem Vorteil, daß die Linearität auch im Nulldurchgang und in der Nähe desselben weitgehend gewahrt bleibt. Die vom Modulator-Transformator m 1 abgenommene Spannung hat fast rechteckige Kurvenform. Daher läßt sich die aus ihr gewonnene Gleichspannung mit wenigen und einfachen Mitteln glätten. Es reichen hierfür ein Widerstand r15 und ein Parallelkondensator c von einigen Mikrofarad aus. Die geglättete Gleichspannung ist dann an den Klemmen 8, 9 abnehmbar. Sie ist vorzeichengetreu und linear proportional der Eingangs-Gleichspannung U1 und galvanisch von dieser getrennt, so daß sie im angenommenen Beispiel unmittelbar der Vergleichsspannung entgegengeschaltet und die eventuell auftretende Regelabweichung im Regelkreis weiterverarbeitet werden kann.If the resistance values of the linear ohmic resistances r4 to r7 are chosen to be sufficiently large in relation to the internal resistances of the associated diodes n 1 to n4, the non-linearity of the diodes and their temperature response remain practically without influence, and one obtains a sufficiently linear one for control and other measuring purposes Dependency between input voltage U1 and output voltage U2. It is of particular advantage here that the linearity is largely maintained even in the zero crossing and in the vicinity thereof. The voltage taken from the modulator-transformer m 1 has an almost rectangular shape. Therefore, the direct voltage obtained from it can be smoothed with few and simple means. A resistor r15 and a parallel capacitor c of a few microfarads are sufficient for this. The smoothed DC voltage can then be removed from terminals 8, 9. It is true to the sign and linearly proportional to the input DC voltage U1 and galvanically separated from it, so that in the example assumed it is switched directly against the reference voltage and any control deviation that may occur can be processed further in the control loop.

Die Teile 1, 2 und 3 können zu einem Gerät zusammengefaßt werden.Parts 1, 2 and 3 can be combined into one device.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Arrangement for voltage conversion under galvanic Separation of the input circuit from the output circuit for DC and AC voltage with relative to the network frequency of lower frequencies7 for measurement, control and regulation purposes, in particular for industrial drives, characterized in that they consist of a known ring modulator equipped with uncontrolled diodes, preferably semiconductor diodes exists, the output signal of which is picked up via a rectifier.

2. Establishment according to claim 1, characterized in that the modulation frequency for the ring modulator (2) the line frequency is used. @

3. Device according to claim 1, characterized in that that the ring modulator (2) is connected to the measuring voltage (Ui) via a voltage divider (1) is connected, with a part (r1, r8, r9) of the same at the same time for coupling and balancing of the modulation frequency is used.

4. Device according to claim 1, characterized in that the diodes (n1 to n4) of the ring modulator (2) in are connected in series with blocking resistors (r4 to r7) in a manner known per se.

S. Device according to claim 1, characterized in that the modulator-transformer (m 1) extracted output signal through a phase sensitive rectifier circuit (3) is rectified.

6. Device according to claim 1, characterized in that the input voltage and the modulation frequency are fed in via symmetry resistors (r 1, r 2, r 3) . Documents considered: French Patent No. 1137 283.