DE1269201B

DE1269201B - Process for switching on power supply devices that work with transmitters or storage chokes and circuit for carrying out the process

Info

Publication number: DE1269201B
Application number: DE19651269201
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Erich Ganzer; Peter Koth; Adolf Mueller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1965-07-13
Filing date: 1965-07-13
Publication date: 1968-05-30

Description

Verfahren zur Einschaltung von mit übertragern oder Speicherdrosseln arbeitenden Stromversorgungsgeräten und Schaltung zur Durchführung des Verfahrens Beim Anschalten einer induktiven Last, z. B. Transformatoren, Drosseln, an eine Wechselspannung im Augenblick des Spannungsnulldurchganges, entsteht ein von der Betriebsinduktion abhängiger Einschaltstromstoß. In gleicher Weise treten beim Einschalten von Wechselrichtern Einschaltstromstöße auf, welche die als Schalter eingesetzten Halbleiter überlasten können. Zur Vermeidung von Einschaltstromstößen ist es bekannt, Netztransformatoren und insbesondere Transformatoren von Wechselrichtern mit niedriger Betriebsinduktion auszulegen oder stufenweise über Vorwiderstände und Schaltkontakte einzuschalten. In beiden Fällen ist ein größerer Aufwand an Volumen und Gewicht für Bauteile im Hauptstromkreis erforderlich.Procedure for switching on with transformers or storage chokes working power supply devices and circuit for carrying out the method When switching on an inductive load, e.g. B. transformers, chokes, to a Alternating voltage at the moment of voltage zero crossing creates one of the Operating induction dependent inrush current. Step in the same way when switching on from inverters to inrush currents, which are used as switches Can overload semiconductors. To avoid inrush currents, it is known Mains transformers and especially transformers of inverters with low Design induction or step by step using series resistors and switching contacts to turn on. In both cases there is a greater expense in terms of volume and weight required for components in the main circuit.

Außerdem ist es bekannt, durch besondere Maßnahmen den Einschaltzeitpunkt genau nach einer halben Halbwelle der Speisewechselspannung einzuschalten. Dieses Verfahren erfordert einen in vielen Fällen zu großen Aufwand.It is also known to use special measures to determine the switch-on time to be switched on exactly after half a half-wave of the AC supply voltage. This In many cases, the process requires too much effort.

Demgegenüber macht die Erfindung von einem Verfahren Gebrauch, durch dessen Anwendung große Halbleiter-Wechselrichter und Gleichumrichter ohne aufwendige Schaltstufen im Hauptstromkreis und ohne die Transformatoren überdimensionieren zu müssen sich sicher einschalten lassen.In contrast, the invention makes use of a method its application large semiconductor inverters and rectifiers without expensive Overdimensioning the switching stages in the main circuit and without the transformers to have to be switched on safely.

Aufgabe der Erfindung ist es, Halbleiter-Wechselrichter oderHalbleiter-Gleichspannungswandler sicher einzuschalten, ohne aufwendige Schaltstufen im Hauptstromkreis versehen und ohne die Transformatoren überdimensionieren zu müssen.The object of the invention is to provide semiconductor inverters or semiconductor DC voltage converters to switch on safely, without complex switching stages in the main circuit and without having to oversize the transformers.

Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung und Schaltungen zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.The object is achieved by the invention specified in claim 1. Advantageous developments of the invention and circuits for performing the Process according to the invention are described in the subclaims.

Arbeitet die Steuerschaltung mit einem Schwingkreis oder mit RC-Gliedern, dann ist eine Frequenzänderung durch Beeinflussung der Kapazität und/ oder der Widerstände durchführbar. Durch jede dieser Maßnahmen kann der Einschaltstrom bei induktiver Belastung genügend klein gehalten werden. In allen Fällen ist nur ein kleiner zusätzlicher Aufwand an Bauteilen mit geringem Volumen und Gewicht in der Steuerschaltung erforderlich.If the control circuit works with an oscillating circuit or with RC elements, then there is a frequency change by influencing the capacitance and / or the resistances feasible. Each of these measures can reduce the inrush current in the case of inductive Load can be kept sufficiently small. In all cases there is just a little extra Expenditure on components with low volume and weight in the control circuit required.

Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is explained in more detail using exemplary embodiments.

F i g. 1 dient der Erklärung des Einschaltvorganges eines Wechselrichters und der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens; in F i g. 2 ist eine als selbsterregter Hilfswechselrichter mit Sättigungskern ausgebildete Steuerschaltung für gesteuerte Halbleiter-Wechselrichter oder Gleichumrichter dargestellt, deren Frequenz durch ein ansprechverzögertes Relais von einem vorübergehend erhöhten Wert auf den Betriebswert umgeschaltet wird.F i g. 1 is used to explain how an inverter is switched on and the mode of operation of the method according to the invention; in Fig. 2 is an as Self-excited auxiliary inverter with saturation core designed control circuit for controlled semiconductor inverters or rectifiers, their Frequency by a delayed relay of a temporarily increased value is switched to the operating value.

F i g. 3, 4 und 5 enthalten Varianten stufenweiser bzw. kontinuierlicher Frequenzänderung durch Beeinflussung der Sättigung im übertragerkern des Hilfswechselrichters; F i g. 6 dient der Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. 5; F i g. 7 und 8 zeigen Schaltungen zur Frequenzänderung von Hilfswechselrichtern, deren Schaltfrequenz durch Schwingkreise bestimmt ist.F i g. 3, 4 and 5 contain variants that are gradual or continuous Frequency change by influencing the saturation in the transformer core of the auxiliary inverter; F i g. 6 serves to explain the mode of operation of the circuit according to FIG. 5; F. i g. 7 and 8 show circuits for changing the frequency of auxiliary inverters, their Switching frequency is determined by resonant circuits.

In F i g. 1 a ist der Verlauf von Spannung u und magnetischem Fluß 0 im Transformator eines gesteuerten Wechselrichters bei Anlauf mit konstanter Schaltfrequenz in idealisierter Form dargestellt. F i g. 1 b zeigt den Spannungs- und Flußverlauf beim Einschaltvorgang des gleichen Transformators bei Anlauf mit vorübergehend verdoppelter Schaltfrequenz.In Fig. 1 a is the curve of voltage u and magnetic flux 0 in the transformer of a controlled inverter when starting with a constant switching frequency presented in an idealized form. F i g. 1 b shows the voltage and flux curve when switching on the same transformer when starting with temporarily doubled Switching frequency.

Der magnetische Fluß 0 im Transformator eines Wechselrichters, dessen Taktgeber nach dem Einschalten eine volle Halbwelle liefert, d. h. im Nulldurchgang der Steuerspannung eingeschaltet wird, erreicht am Ende dieser Halbwelle den maximalen Fluß 0max = OR + 2 Oa (F i g. l a), sofern Widerstände und Kerneigenschaften ihn nicht beschränken würden. In dieser Gleichung bezeichnet OR den Remanenzfluß und $d den Dauerfluß. Ein Transformatorkern, dessen Sättigungsfluß knapp über dem Dauerfluß 0,1 liegt, gerät bei dem maximalen Fluß Omax in den Bereich der Sättigung. Der hohe Einschaltstrom kann dabei die als Schalter eingesetzten Halbleiter beschädigen, wenn nicht vorgeschaltete flinke Sicherungen den Stromkreis unterbrechen.The magnetic flux 0 in the transformer of an inverter, the clock generator of which delivers a full half-wave after being switched on, ie is switched on at the zero crossing of the control voltage, reaches the maximum flux 0max = OR + 2 Oa ( Fig. 1 a) at the end of this half-wave, as long as resistance and core properties would not limit it. In this equation, OR denotes the remanent flux and $ d the continuous flux. A transformer core, the saturation flux of which is just above the continuous flux 0.1, gets into the saturation area at the maximum flux Omax. The high inrush current can damage the semiconductors used as switches, if not upstream fast-acting fuses interrupt the circuit.

Liefert nun die Steuerschaltung nach dem Einschalten zunächst Halbwellen mit höherer, z. B. doppelter Betriebsfrequenz, so kann der maximale Fluß nur noch den Wert erreichen (F i g. l b). In dieser Gleichung bedeutet f d die normale Betriebsfrequenz und f die erhöhte Frequenz, Wird nach dem Abklingen des verbleibenden schwachen Einschaltstromkreises auf die Betriebsfrequenz fd umgeschaltet, so kann ungünstigenfalls der Fluß auftreten. Je höher die Schaltfrequenz beim Einschalten und je feinstufiger die Umschaltung bei vorgegebener Eisenqualität und Zeit gewählt wird, um so geringer wird der maximale Fluß und damit der Einschaltstromstoß. Es ist vorteilhaft, den Übergang von der Anlauffrequenz zur Betriebsfrequenz kontinuierlich zu gestalten.If the control circuit now supplies half-waves with higher, z. B. double the operating frequency, the maximum flow can only be the value reach (Fig. lb). In this equation, f d means the normal operating frequency and f the increased frequency. If the operating frequency fd is switched over to the operating frequency fd after the remaining weak inrush circuit has decayed, the flux can in the worst case appear. The higher the switching frequency when switching on and the more finely the switching is selected for a given iron quality and time, the lower the maximum flux and thus the inrush current. It is advantageous to make the transition from the starting frequency to the operating frequency continuous.

Die Steuerschaltung für einen Wechselrichter in F i g. 2 besteht aus einem selbsterregten Hilfswechselrichter in Brückenschaltung. Der Wechselrichter in Brückenschaltung arbeitet mit einem kapazitiven Spannungsteiler, bestehend aus den beiden großen Kapazitäten C 1 und C 2, den beiden im Gegentakt schaltenden Transistoren Tsl und Ts2 und dem Übertrager S mit Sättigungskern. Die Hauptwicklung H des Übertragers liegt im Hauptstromkreis der Schaltung und ist mit dem Kollektor bzw. Emitter der Schalttransistoren Tsl bzw. Ts2 verbunden. Die Steuerwicklungen Stl und St2 des Übertragers S liegen jeweils im Basis- und Emitterkreis der beiden Schalttransistoren. Die Betriebsspannung wird an den mit ± bezeichneten Klemmen zugeführt, während , die Steuerspannung für den zu steuernden Wechselrichter an den Anschlußpunkten D und E abgenommen werden kann. Die Schaltfrequenz dieses Sättigungswechselrichters ist abhängig von der Betriebsspannung für den Übertrager S. Mit höherer Spannung gerät nämlich der Kern des Übertragers S früher in Sättigung und steuert damit früher die Transistoren Tsl und Ts2 um als bei tiefer Spannung.The control circuit for an inverter in FIG. 2 consists of a self-excited auxiliary inverter in a bridge circuit. The bridge-connected inverter works with a capacitive voltage divider, consisting of the two large capacitances C 1 and C 2, the two push-pull transistors Tsl and Ts2 and the transformer S with a saturation core. The main winding H of the transformer is in the main circuit of the circuit and is connected to the collector or emitter of the switching transistors Tsl and Ts2. The control windings Stl and St2 of the transformer S are each in the base and emitter circuit of the two switching transistors. The operating voltage is supplied to the terminals marked ±, while the control voltage for the inverter to be controlled can be taken from connection points D and E. The switching frequency of this saturation inverter depends on the operating voltage for the transformer S. With a higher voltage, the core of the transformer S saturates earlier and thus controls the transistors Tsl and Ts2 earlier than with a lower voltage.

Zur Stabilisierung der Frequenz im Normalbetrieb ist eine Schaltung zur Spannungsstabilisierung an der Hauptwicklung H des Sättigungsübertragers vorgesehen. Der Reihenschaltung aus Hauptwicklung H und Widerstand R mit den Anschlußpunkten A und B ist eine Zenerdiode Z parallel geschaltet, die in der Brückendiagonale einer zwischen A und B liegenden Gleichrichterbrücke Gl angeordnet ist. Die Brückenschaltung ist erforderlich, damit die Zenerdiode Z für beide an der Hauptwicklung auftretenden Halbwellen wirksam ist.To stabilize the frequency in normal operation, a voltage stabilization circuit is provided on the main winding H of the saturation transformer. The series connection of main winding H and resistor R with connection points A and B is connected in parallel with a Zener diode Z, which is arranged in the bridge diagonal of a rectifier bridge Gl lying between A and B. The bridge circuit is necessary so that the Zener diode Z is effective for both half-waves occurring on the main winding.

Um die Schaltfrequenz dieses Hilfswechselrichters vorübergehend erhöhen zu können, wird der übertrager S vorübergehend mit erhöhter Spannung gespeist. Dies geschieht durch Überbrücken des im Hauptstromkreis angeordneten Widerstandes R. Beim Einschalten des Hilfswechselrichters ist der Widerstand R vorübergehend durch den Schaltkontakt y überbrückt, bis das Relais Y verzögert anspricht und den Schaltkontakt y öffnet. Im Gegensatz zur Schaltung nach F i g. 2, die einen Übergang von einer Schaltfrequenz auf die andere durch Überbrücken von einem oder mehreren Vorwiderständen bewirkt, kann gemäß einer Variante dieser Schaltung eine stufenweise Änderung der stabilisierten Spannung an der Hauptwicklung H erzielt werden, wenn an die Klemmen A und B in F i g. 2 die in F i g. 3 dargestellte Stabilisierungsschaltung angeschlossen wird. Im Diagonalzweig dieser Gleichrichterbrücke sind mehrere Zenerdioden in Reihe geschaltet, die einzeln bis auf eine z. B. durch zeitlich nacheinander verzögert ansprechende Relais bzw. durch deren Schaltkontakte y l, y 2 überbrückt werden. Jeder Schaltstufe entspricht dabei eine andere Schaltfrequenz des Wechselrichters.In order to be able to temporarily increase the switching frequency of this auxiliary inverter, the transformer S is temporarily fed with increased voltage. This is done by bridging the resistor R located in the main circuit. When the auxiliary inverter is switched on, the resistor R is temporarily bridged by the switching contact y until the relay Y responds with a delay and the switching contact y opens. In contrast to the circuit according to FIG. 2, which causes a transition from one switching frequency to the other by bridging one or more series resistors, according to a variant of this circuit, a step-wise change in the stabilized voltage at the main winding H can be achieved if the terminals A and B in FIG . 2 the in F i g. 3 stabilization circuit shown is connected. In the diagonal branch of this rectifier bridge, several Zener diodes are connected in series. B. be bridged by successively delayed responding relays or by their switching contacts yl, y 2. Each switching stage corresponds to a different switching frequency of the inverter.

Der Vorteil einer kontinuierlichen Frequenzabsenkung des Wechselrichters von einer hohen Anlauffrequenz auf die normale Betriebsfrequenz ergibt sich durch eine weitere Variante der Schaltung nach F i g. 2 in Verbindung mit der F i g. 4, die nur den geänderten Schaltungsteil darstellt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird die die Schaltfrequenz des Wechselrichters bestimmende Spannung an der Hauptwicklung H des Sättigungsübertragers S durch den Aufladevorgang einer Kapazität verändert. In Reihe mit der Hauptwicklung H ist eine Gleichrichterbrückenschaltung Gl1 angeordnet, in deren Diagonalzweig eine Parallelschaltung aus einer Kapazität C 4 und einem Widerstand R4 liegt. Bedingt durch den Aufladevorgang der Kapazität erhält die Hauptwicklung im Einschaltzeitpunkt die angelegte Spannung in voller Höhe, die sich dann stetig mit der Aufladung des Kondensators C 4 auf die normale Betriebsspannung absenkt. Die Schaltfrequenz des Wechselrichters hat einen entsprechenden Verlauf. In F i g. 5 ist ein weiteres Beispiel für eine Anlaßschaltung wiedergegeben, die der Steuerschaltung WR (Sättigungswechselrichter) vorgeschaltet ist. Durch die Rufladung eines Kondensators C 5 über die Diode D 5 und den Steuerwechselrichter WR sowie über den Widerstand R 5 aus der Betriebsstromquelle wird die Betriebsspannung u am Hilfswechselrichter gesteuert. Im Einschaltzeitpunkt liegt die Versorgungsspannung UB, die größer als die Betriebsspannung u ist, in voller Höhe am Widerstand R 5 und damit über die geöffnete Diode D 5 auch am Hilfswechselrichter WR. Der übertragerkern wird in diesem Zustand schneller in die Sättigung ausgesteuert. Die Schaltfrequenz des Hilfswechselrichters liegt somit über der normalen Betriebsfrequenz f. In dem Maße, wie der Kondensator C 5 nach der Einschaltung aufgeladen wird, sinkt die Spannung u am Wechselrichter kontinuierlich ab. Sobald die Spannung u den Sollwert der normalen Betriebsspannung des Wechselrichters erreicht hat, erfolgt dessen Stromversorgung über den Spannungsteiler R 6, Z 6 und die Diode D 6, die jetzt geöffnet ist. Die als Spannungsstabilisierung wirkende Zenerdiode Z6 erhält die normale Betriebsspannung und damit die Betriebsfrequenz des Hilfswechselrichters aufrecht.The advantage of a continuous frequency reduction of the inverter from a high starting frequency to the normal operating frequency results from a further variant of the circuit according to FIG. 2 in connection with FIG. 4, which shows only the changed part of the circuit. According to this exemplary embodiment, the voltage at the main winding H of the saturation transformer S , which determines the switching frequency of the inverter, is changed by the charging process of a capacitance. A rectifier bridge circuit Gl1 is arranged in series with the main winding H, in the diagonal branch of which there is a parallel circuit comprising a capacitance C 4 and a resistor R4. Due to the charging process of the capacitance, the main winding receives the applied voltage in full when it is switched on, which then steadily decreases to the normal operating voltage as the capacitor C 4 is charged. The switching frequency of the inverter has a corresponding curve. In Fig. 5 shows a further example of a starting circuit which is connected upstream of the control circuit WR (saturation inverter). By charging a capacitor C 5 via the diode D 5 and the control inverter WR and via the resistor R 5 from the operating current source, the operating voltage u at the auxiliary inverter is controlled. At the switch-on time, the supply voltage UB, which is greater than the operating voltage u, is applied in full to the resistor R 5 and thus also to the auxiliary inverter WR via the opened diode D 5. In this state, the transformer core is driven into saturation more quickly. The switching frequency of the auxiliary inverter is thus above the normal operating frequency f. As the capacitor C 5 is charged after being switched on, the voltage u at the inverter drops continuously. As soon as the voltage u has reached the nominal value of the normal operating voltage of the inverter, its power supply takes place via the voltage divider R 6, Z 6 and the diode D 6, which is now open. The Zener diode Z6, which acts as a voltage stabilizer, maintains the normal operating voltage and thus the operating frequency of the auxiliary inverter.

In F i g. 6 sind die Spannung u bzw. die Schaltfrequenz f des Wechselrichters in Abhängigkeit von der Zeit für den Anlauf und den Normalbetrieb dargestellt. Bei Erreichen der Zenerdiodenspannung UZ ist der kontinuierliche Abfall von Spannung und Frequenz beendet.In Fig. 6 are the voltage u and the switching frequency f of the inverter shown as a function of the time for start-up and normal operation. at When the Zener diode voltage UZ is reached, the voltage drops continuously and frequency ended.

Grundsätzlich kann jeder Schaltkontakt der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele durch einen Transistorschalter ersetzt werden. Die Transistoren gestatten im Zusammenwirken mit einer geeigneten Steuerung auch einen allmählichen Übergang von höherer Schaltfrequenz zur Betriebsfrequenz. Weiter kann die Steuerschaltung in jedem der Ausführungsbeispiele als Sättigungswechselrichter in Gegentakt-oder Brückenschaltung ausgebildet werden.In principle, any switching contact of the exemplary embodiments described above can be used through a Transistor switch to be replaced. The transistors allow, in conjunction with a suitable control, a gradual Transition from higher switching frequency to operating frequency. The control circuit can also in each of the exemplary embodiments as a saturation inverter in push-pull or Bridge circuit can be formed.

Oft wird die Steuerschaltung einen Schwingkreis enthalten, der die Betriebsfrequenz bestimmt. Für den Anlauf mit erhöhter Schaltfrequenz ist dann im Schwingkreis nur eine Teilkapazität wirksam, der in Stufen über Kontakte (F i g. 7) oder über eine Transistorschaltung (Fig. 8) ein oder mehrere Kondensatoren parallel geschaltet werden, bis die Betriebsfrequenz erreicht ist.Often the control circuit will contain an oscillating circuit that controls the Operating frequency determined. For start-up with increased switching frequency is then im The resonant circuit only has a partial capacity, which is generated in stages via contacts (F i g. 7) or one or more capacitors in parallel via a transistor circuit (Fig. 8) be switched until the operating frequency is reached.

In Steuerschaltungen, die als astabile Kippstufen ausgebildet sind und die mit RC-Gliedern arbeiten, können sowohl die Kapazität als auch die zugehörigen Widerstände während des Anlaufes in Stufen oder kontinuierlich geändert werden.In control circuits that are designed as astable multivibrators and those who work with RC elements can use both the capacitance and the associated Resistances can be changed in steps or continuously during start-up.

Claims

Claims: 9. Method for switching on with transformers or storage chokes working power supply devices for communication technology, in particular of externally controlled semiconductor inverters or rectifiers, characterized in that the supply or control voltage to be switched on Devices during the duration of the switch-on process one compared to the frequency in the steady state State (operating frequency) has increased frequency (starting frequency) and that the Starting frequency automatically gradually or continuously to the normal operating frequency is lowered.

2. The method according to claim 1, characterized in that the starting frequency is about twice the normal operating frequency.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that when externally controlled semiconductor inverters are switched on or rectifier the working frequency (switching frequency) of the control voltage for the semiconductor generating control circuit is temporarily increased.

4. Procedure according to one of the preceding claims, characterized in that the control voltage for the semiconductors is generated in a self-excited auxiliary inverter.

5. Circuit for carrying out the method according to Claim 4, characterized in that that the auxiliary inverter used as a control circuit as a bridge circuit or is designed as a push-pull circuit.

6. The method according to claim 4, characterized characterized in that the auxiliary inverter is saturation-controlled and that the Saturation process in the inverter transformer dependent on the level of the operating voltage is used to control the switching frequency of the auxiliary inverter.

7. Procedure according to claim 4 or 6, characterized in that a step-by-step frequency changeover by switching resistors on or off that are connected to the saturation winding in the Main circuit of the auxiliary inverter are in series, by means of delayed response Relay takes place. B.

Method according to claim 4 or 6, characterized in that a step-by-step frequency changeover by switching on and off series-connected Zener diodes in a bridge circuit connected in parallel to the saturation winding are arranged, takes place by means of delayed responding relays.

9. Procedure according to Claim 4 or 6, characterized in that a continuous transition from the starting frequency to the operating frequency while avoiding switching contacts is controlled by the charging process of a capacity.

10. Procedure after a of claims 4, 6 and 9, characterized in that the supply voltage of the Auxiliary inverter is above the nominal operating voltage and that the voltage on Auxiliary inverter during the switch-on process by means of an RC element from the higher supply voltage and lowered by a Zener diode to the target operating voltage is being held.

11. Circuit for performing the method according to claim 9 or 10, characterized in that a parallel connection of capacitance and resistance in the bridge diagonal one with the main winding of the saturation core in series switched rectifier bridge is arranged.

12. The method according to claim .4 or 6, characterized in that the alternating voltage across the saturation winding of the auxiliary inverter through a rectifier bridge in the bridge diagonal switched on Zener diode is kept constant.

13. The method according to claim 4, characterized in that the change in the switching frequency of auxiliary inverters with an oscillating circuit that determines the switching frequency by switching it on or off of capacities.

14. Circuit for performing the method according to a of claims 1 to 3, characterized in that the control circuit is an astable Flip-flop is used whose switching frequency is changed by changing the capacitive and / or ohmic components of the RC elements changed in steps or continuously will.

15. A circuit for performing the method according to claim 7 or 8, characterized characterized in that the switching contacts are controlled by capacitor charging Switching transistors are replaced.