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Tastschaltung zur Speisung eines Verbrauchers Es ist oft erwünscht,
einen kapazitiven Energie-Speicher, beispielsweise einen Akkumulator, aus einer
vorhandenen Gleichspannungsquelle zu laden. Hierbei ist in vielen Fällen die Spannung
des Energiespeichers geringer als die Spannung der zur Verfügung stehenden Gleichstromquelle.
Bekannt ist insbesondere das Laden der Energiespeicher über Vorwiderstände oder
auch über Wechselrichter mit Zwischentransformator und Gleichrichter. Die
üb-
licherweise verwendeten Wechselrichterschaltungen haben den Nachteil,
daß beim ungewollten Durchschalten eines Ventils, beispielsweise durch einen Störimpuls,
ein Kurzschluß der Speisespannung eintritt, der eine Betriebsunterbrechung zur Folge
hat.
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Die vorliegende Erfindung befaßt sich insbesondere mit den Möglichkeiten
der Ladung eines kapazitiven Energiespeichers (Kondensator, Akkumulator usw.) aus
einer Stromquelle höherer Spannung mittels tastbarer Ventile. Unter einem tastbaren
Ventil soll ein Ventil verstanden sein, das ein- und ausschaltbar ist. Die Ausschaltung
kann im Leistungskreis mit Hilfe eines Löschkondensators oder über den Steuerkreis
erfolgen. Als Ventile kommen insbesondere steuerbare Halbleiterzellen, auch Siliziumthyratrone
oder Vierschichttrioden genannt, in Frage.
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Die im Sinne der vorstehenden Aufgabenstellung einfachste Schaltung
ist in Fig. 1 gezeigt. Eine Gleichstromquelle 3, 4 wird mit Hilfe
eines tastbaren Ventils 2 periodisch auf einen kapazitiven Energiespeicher
1 geschaltet. Hierbei ergeben sich die in F i g. la gezeigten kurzschlußartigen
Stromspitzen i 1 = '",4 über der Zeit t. Der Mittelwert des Ladestromes il,
ist relativ gering. Dagegen ist die Beanspruchung des Energiespeichers
1, des tastbaren Ventils 2 und der Stromquelle 3, 4
sehr hoch, da die Amplitude der Stromspitzen nur durch die inneren Widerstände begrenzt
wird.
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Eine wesentliche Verbesserung der Schaltung ist in F i g. 2
gezeigt. Es sind zusätzlich eine Induktivität 5 und eine Freilaufdiode
6 vorgesehen. Der zeitliche Verlauf der Ströme ist in F i g. 2 a gezeigt.
Während des Zeitabschnittes t, ist das tastbare Ventil 2 durchgeschaltet. Der Stromkreis
schließt sich über die Induktivität 5 und den Energiespeicher 1.
Der
Strom i, = '"'4 zeigt eine ansteigende Tendenz. Nach dem Sperren des tastbaren
Ventils 2 schließt sich der Stromkreis über die Induktivität 5, den Energiespeicher
1 und die Freilaufdiode 6. In diesem Zeitabschnitt t. hat der Strom
il eine fallende Tendenz, während der Strom 4 4 Null ist. Der Lade-Strom
i. schwankt nur wenii um seinen Mittelwert i",. Er kommt also den idealen Verhältnissen
sehr nahe. Der aus der Stromquelle 3, 4 entnommene
Strom '",4 besteht
aus Impulsen, die gegenüber der in F i g. 1 gezeigten Anordnung eine wesentlich
kleinere Amplitude und größere Zeitdauer haben. Die Rückwirkungen des Stromes '",4
in Fig. 2a auf die Stromquelle 3, 4 können immer noch sehr unangenehm sein.
Dies gilt insbesondere dann, wenn die Stromquelle 3, 4 größere induktive
Widerstände enthält, wie es beispielsweise bei Netzen und Fahrleitungen zu erwarten
ist.
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Zur Minderung der geschilderten Nachteile betrifft die Erfindung eine
Tastschaltung zur Speisung eines Verbrauchers aus einer Gleichstromquelle, deren
Spannung mindestens zeitweise höher als die Spannung des Verbrauchers ist, wobei
mit dem Verbraucher eine Induktivität unmittelbar in Reihe geschaltet ist und für
den Verbraucher und die Induktivität eine gemeinsame Freilaufdiode vorgesehen ist.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität in Form einer Drosselspule
mit durch mindestens eine Wicklungsanzapfung gebildeten Teilwicklungen versehen
ist und daß die Freilaufdiode an eine Wicklungsanzapfung der Induktivi-Lät angeschlossen
ist. Die Tastschaltung kann mit beliebigen Tasteinrichtungen, beispielsweise auch
mechanischen Tastschaltern, arbeiten. Vorzugsweise wird man jedoch tastbare Halbleiterventile
verwenden.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dienen die Figuren.
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F i g. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung; F i
g. 4, 5 und 6 zeigen Weiterbildungen der Erfindung; F i
g. 3 a, 5 a und 6 a zeigen zur Erläuterung der Wirkungsweise
der Erfindung Ströme i über der Zeit t.
In F i g. 3 hat die
durch eine Drosselspule gebildete Induktivität 5 zwei Teilwicklungen
5 a und 5 b.
Die zeitlichen Verläufe der Ströme
sind in F i g. 3 a zu erkennen. Während der Durchlaßzeit ti des tastbaren
Ventils 2 fließt über die Wicklung 5 a, 5 b sowie den
Energiespeicher 1 ein ansteigender Strom 'l = ',3,4' Wenn das tastbare
Ventil 2 gesperrt wird, wird der Stromkreis wiederum über die Diode 6 geschlossen.
Da die Induktivität 5 bestrebt ist, ihren magnetischen Fluß aufrechtzuerhalten,
jedoch über die Wicklunghälfte 5 a kein Strom mehr fließen
kann, wird sich der Strom in 5b so weit erhöhen, daß die vor dem Sperren
des tastbaren Ventils 2 erreichten Amperewindungen in der Induktivität
5 in gleicher Höhe erhalten bleiben. Dementsprechend erhöht sich auch der
Ladestrom i, während des Zeitabschnittes t2. Die stoßweise Belastung der Stromquelle
3, 4 ist also weiterhin gemindert. Dagegen entspricht der Ladestrom i, nicht
mehr in dem gleichen Maße wie in F i g. 2 den idealen Verhältnissen. In vielen
Fällen wird das jedoch von untergeordneter Bedeutung sein. Eine Beeinflussung der
Stromkurven i, und ',3,4 bei gegebenen Spannungen an der Stromquelle 3, 4
und dem Energiespeicher 1
sowie bei einem bestimmten Ladestrom 11
. läßt sich durch Veränderung des Windungszahlverhältnisses zwischen den
Teilwicklungen 5 a und 5 b erreichen. Man kann
hiermit jeweils optimale Verhältnisse bei allen vorhandenen Betriebsbedingungen
einstellen. Vorteilhafterweise wird man anstreben, daß die magnetische Kopplung
zwischen den Teilwicklungen 5 a
und 5 b gut ist,
so daß überspannungen beim Sperren des tastbaren Ventils 2 weitgehend vermieden
werden. Es ist selbstverständlich auch möglich, parallel zur Teilwicklung
5 a spannungsbegrenzende Schaltelemente, wie beispielsweise
spannungsabhängige Widerstände oder auch Kondensatoren mit den eventuell erforderlichen
Dämpfungswiderständen, zu schalten.
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F i g. 4 zeigt eine Möglichkeit zur weiteren Minderung der
stoßweisen Belastung der Stromquelle 3, 4. Mit Hilfe eines Kondensators
7 erfolgt eine Pufferung, die insbesondere bei größeren inneren Widerständen
der Stromquelle 3, 4 wirksam wird. Sehr vorteilhaft ist diese Schaltung,
wenn die inneren Widerstände der Stromquelle 3, 4 induktiv sind. Der Kondensator
7 ist vorzugsweise parallel zur Stromquelle 3, 4 angeordnet. Eine
Parallelschaltung 7' und 8' zum tastbaren Ventil 2 ist jedoch ebenfalls
möglich.
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Nach dem Sperren des tastbaren Ventils 2 kann der Strom aus der Stromquelle
3, 4 langsam über den Kondensator 7 (bzw. T) abklingen. Ebenso wird
beim Durchschalten des tastbaren Ventils 2 der Kondensator 7 die Stromquelle
3, 4 weitgehend vom Einschaltstromstoß entlasten. Um zu verhindern, daß der
Kondensator7 mit der inneren Induktivität der Stromquelle 3, 4 resonanzartige
Schwingungserscheinungen hervorruft, kann zusätzlich ein Dämpfungswiderstand
8 vorgesehen werden.
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Eine zweckmäßige Weiterbildung zeigt F i g. 5. Das tastbare
Ventil 2, die Induktivität 5 und die Freilaufdiode 6 sind
je zweimal in gesonderten Strompfaden angeordnet. Es ist auch ohne weiteres
denkbar, diese Einrichtungen noch öfter vorzusehen. Der Tastbetrieb erfolgt bei
einer zweimaligen Anordnung in der Weise, daß entweder das tastbare Ventil 2 geöffnet
und das tastbare Ventil 2' gesperrt ist oder umgekehrt. Damit wird aus der Stromquelle
3, 4 ständig Energie bezogen. Deren Stromschwankungen sind nur gering und
Stromlücken können vermieden werden. Sie können durch die Größe der Induktivitäten
5 und 5' sowie durch die Tastfrequenz beeinflußt werden. Die Höhe
des Ladestromes i, wird durch das Verhältnis der Windungszahlen der Teilwicklungen
5 a zu 5 b bzw. 5 a' zu
5 b' beeinflußt. Der Ladestrom il schwankt ebenfalls nur wenig um
seinen Mittelwert il , und entspricht somit weitgeheiid den idealen Verhältnissen.
Diese Schaltung eignet sich somit -ebenso wie die in F i g. 2 angegebene
- auch zur Speisung von Gleichstromverbrauchem mit einem nennenswerten inneren
induktiven Widerstand. Bei den anderen hier angegebenen Schaltungen ist es ebenfalls
möglich, an Stelle des Energiespeichers 1 irgendeinen anderen Gleichstromverbraucher
vorzusehen. Dieser Verbraucher soll je-
doch zweckmäßig spannungsbegrenzende
Eigenschaften haben. Die spannungsbegrenzende Eigenschaft besitzt beispielsweise
auch ein Ohmscher Widerstand, da die Tastschaltung den Strom begrenzt. Dementgegen
neigen induktive Verbraucher dazu, überspannungen hervorzurufen, wenn durch die
gewählte Tastschaltung in diesen induktiven Verbrauchem schnelle Stromänderungenhervorgerufen
werden.
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F i g. 6 zeigt eine Möglichkeit, das Verhältnis der Windungszahlen
der Teilwicklung der Induktivität 5
bzw. 5' kontaktlos zu verändern.
Hier-zu sind für jede Induktivität 5 und 5' drei Teilwicklungen vorgesehen,
wobei die mittlere Teilwicklung wahlweise der oberen oder der unteren Teilwicklung
zugeordnet werden kann. Die Freilaufdioden 6 und 6' sind durch steuerbare
Ventile 16 und 16' (Trioden) ergänzt. Wenn die steuerbaren Ventile
16 und 16' gesperrt sind, arbeitet diese Tastschaltung ebenso wie
die in F i g. 5 angegebene. Wenn während der Stromführungszeit einer Freilaufdiode,
beispielsweise der Freilaufdiode 6, ein steuerbares Ventil, beispielsweise
das steuerbare Ventil 16, gezündet wird, so vermindert sich der Strom in
der unteren Teilwicklung der Induktivität 5 entsprechend der vergrößerten
Windungszahl. Die gesamten Amperewindungen der Induktivität 5 bleiben hierbei
erhalten. Der Ladestrom il für den Energiespeicher 1 wird jpdoch in dem gleichen
Maße wie der Wicklungsstrom in der unteren Teilwicklung der Induktivität
5 vermindert. Das gleiche gilt für die andere Hälfte der Tastperiode in bezug
auf die Diode 6', das steuerbare Ventil 16' und die Induktivität
5'. F i g. 6 a zeigt analog zur F i g. 5 a die einzelnen Ströme
i. Hierbei ist angenommen, daß im Zeitpunkt t" das steuerbare Ventil 16'
gezündet wird usf. Durch eine Verschiebung des Zeitpunktes t" innerhalb der Stromführungszeit
des tastbaren Ventils 2 und analog hierzu des tastbaren Ventils 2' kann also eine
kontinuierliche Verstellung des Mittelwertes 11. des Ladestromes für den
Energiespeicher 1 erfolgen. Ein wesentlicher Vorteil dieser Anordnung ist,
daß die Forderung nach enger magnetischer Kopplung der Teilwicklung der Induktivität
5 bzw. 5' leicht erfüllbar ist. Selbstverständlich kann das Prinzip
dieser Tastschaltung auch für eine Anordnung entsprechend F i g. 3 verwendet
werden.
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Es ist bei einer Anordnung mit einem zusätzlichen steuerbaren Ventil
(wie 16) auch möglich, die Induktivitäten 5 und 5' so auszuführen,
daß die obere der drei Teilwicklungen entfällt. Beispielsweise können
die
steuerbaren Ventile 16 und 16' in F i g. 6
direkt an den oberen
Anschluß der Induktivitäten 5
und 5' gelegt werden. Die Funktion der
Schaltung wird hierdurch nicht beeinträchtigt.