DE1588217A1 - Stromversorgungsregelschaltung - Google Patents

Description

Frar^T:'-.:!/Mcnn-l General Electric Company₉ 1 River Road, Schenectady, H_nY₀

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Stronversorgungaregelschaltung

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Die Erfindung betrifft eine Stromversorgung ■eegelachaitung, in der Halbleiterbauelemente zur Regelung der Spannung und/oder des Strome eines Verbrauchers verwendet werden* Die Regelung erfolgt durch Steuerung des Taetverhältnies 9s von dem Verbraucher zügeführten Leistungsimpulsen» Derartige Schaltungen sind inabeaonderV~zur Regelung des Stroms)ittelwertea von Motoren und anderen induktiven Verbrauchern geeignet.

Bei den meisten Regelschaltungen wird jedoch eine vorsätzlich eingeführte Verlustleistung gesteuert, um die Spannung und/oder den Strom des Verbrauchers auf dem gewünschten Sollwert konstant zu halten« Dadurch ergeben eich jedoch Schwierigkeiten hinsichtlich des Wirkungsgrades und der Auswahl ά«τ Bauelemente? die dann verhältnismäßig hohe Nennspannungen und hohe Xoleransen hinsichtlich einer Überlastung haben mussen₀

Sie Erfindung befaßt sich daher hauptsächlich ait den praktisch zulässigen Werten bei Änderungen der Belastung hinsichtlich der Auslegung und des Betriebeverhaltene. Wenn also beispielsweise eine Regelschaltung

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für einen speziellen Gleichstronaotor entworfen werden soll, müssen nicht nur die erwartete Änderung der mechanischen Belastung sondern auch dor Widerstand und die Induktivität des Motorkreisas berücksichtigt werden-, Gewöhnlich ist man bestrebt, da« richtige Drehmoment bei gegebener Belastung des Motors zu erzeugen, und das Drehmoment eines Gleichstrommotors ist direkt proportional dem Strom* Bei herkömmlichen Regelschaltungen wird jsdoch die Spannung des Motore geregelt, Anderereeits ist man bestrebt, einen Regelkreis mit hoher Kreisverstärkung zu erhalten, ua «ehr genau regeln zu können,, Dieee zweiseitige Abhängigkeit von der speziellen Verbraucherimpsdanz einerseits und der hohen Verstärkung andererseits führt zu Schwierigkeiten hinsichtlich der Stabilität des Regelkreises,, so da.3 das Entwerfen und die Wirkungsweise von Motorregelechaltungen stark von der richtigen Berechnung und der Zuverlässigkeit der Bauelemonteeigenschaften abhängen.

E_n ist ferner wünschenswert, daß Regelechaltungen extremen Bedingungen widerstehen« Insbesondere ist es äußerst vorteilhaft» wenn die Schaltung ausgangsseitig kurzschlufifest ioto Dies bedeutet_r daß die Bauelemente der Regelschaltung in der Lage sein müssen, die mit einem Kurzschluß des Verbrauchers verbundenen Strom- oder Spannungestöße zu überstehen und die Stromquelle vor dem plötzlichen Balastungsstoß zu schützen,

Ein spezielles Problem bei Schaltungen mit steuerbaren Siliciuegleichrichtern und Thyratrons ist deren Hystereseeigenschafto Wenn diese Bauelemente von Störimpulsen ausgelöst (gezündet) werden, tritt ein Zündeffekt auf, der völlig unproportional zur Amplitude des Störimpulses

ist. Normalerweise wird dann ein vollständiger Steuer-

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Zyklus ausgelöst, der mindestenβ äußeret unerwünschte Steuervorgänge zur Folge hat,

Weitere*Schwierigkeiten treten auf, wenn die Schaltung la Leerlauf oder nahezu im Leerlauf arbeitet. Insbesondere bei Testverhältniesteuerung können Fehler in Betriebs» verhalten auftreten. Diese werden von dicht an den ToIeransgrengen liegenden Zuständen oder Bedingungen hervorgerufen, Wenn die Regelschaltung beispielsweise zyklisch ein den VerbraucheretroD proportionales Hefleignal integriert, dann überdecken nach einiger Zelt von«Raueeheignalen, Streuinduktivitäten, Streukapazitäten usw. hervorgerufene Störeignale das zurückgeführte Meßsignal und bewirken ein unvorhersehbar es Verhalten.

eenäfi der Erfindung wird eine Testverhältnie-Regelschaltung Bit einen rückgekoppelten (regenerativen) Schalter verwendet. Daβ heraueragende Herknal der Erfindung ist die Verwendung einer BückkopplungeVerstärkervorrichtung, un den Ein-Aus-Schaltvorgang des Schalter« zu unterstützen. Während eine (als Schalterbeueleae*.. üenende) Ein-Aus-Verstärkervorrichtung den Beginn jeder Halbwelle bestirnt, ist die Rückkopp Tverβtariervorrichtung derart ausgebildet, daß sie von der an ihr anliegenden Spannung abhängig ist (auf diese aneprlcht). Infolge der Stronspannungekennlinie (u β f(i )). der Vorrichtung wird ein überetron von Natur aue von eines Spannungsanstieg begleitete Die RückkopplVJIgBverrichtung ist so ausgebildet,, daß sie auf diesen Spannungeanstieg derart anspricht» daß die EIn-Aua-Vorrichtung selbsttätig und durch Hitkopplung (regenerativ) ausgeschaltet wird. Dieser Schalter ist zwischen «inen Tranafornator-Mittelabgriff und Kasee geachalttet, «o deB der Yerbraucherstron praktisch direkt überwacht bzw. geneeeen werden kann, obwohl den Vorrichtungen

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nur ein kleiner Bruchteil der Spannung zugeführt wird, in Gegensatz zu herkömmlichen Tebverhältnis-Regelschaltungen. Da die Steuerspannung leicht einstellbar ist_v können Motordrehmomente und ähnliche Größen leicht auf verschiedene Werte eingestellt und geregelt werden» und außerdem ergibt sich ein guter Schutz vor Überlastungen„ Schließlich wird die Schaltung selbsttätig von der pulsierenden Stromversorgung zurückgesetzt bzw. zurückgestellt,, ao daß „in selbsttätiger'Wiederbeginn nach Beseitigung eines Kurzsohluases gewährleistet ist.

Die Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Zeichnungen von AuefUhrungsbelspielen näher beschrieben

Fig. 1 zeigt ein schematiches So Itbild einer bevorzugten Ausführung der Erfindung.

Flg. 2 zeigt mehrere Spannungs- und Stromdiagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise der In Figo 1 gezeigten Regels ehaltung.

Figo 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführung wird ein Verbraucher 27 über zwei mit Mittelabgriffen versehene Transformatoren 11 und 16 aus einer Wechselstromquelle 10 gespeist. Die Wicklung 12 des Transformators 11 liegt direkt an der Stromquelle 10. Der Mittelabgriff 15 an der Sekundärwicklung 13 dieses Transformators 11 ist direkt und der Mittelabgriff 19 an der Primärwicklung 20 des Traneformators 16 über einen rückgekoppelten (regenerativen) elektronischen Schaltsr 60 mit Masse verbunden. Die tait den Mittelabgriffen versehenen Wicklungen 13 und 20 sind über zwei Gleichrichter 17 und 18 zu einem Stromkreis verbunden, wobei die Katoden der

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beiden Gleichrichter direkt je an ein Ende der Wicklung 20 angeschlossen sind* Der Strom fließt dabei abwechselnd mit jeder Halbwelle durch die eine oder die andere Hälfte der Wicklung 20. ras Üborattzungeverhältnis dee Tranaformatore 11 let kleiner als «ine, und die Wicklung 13 kann beispielsweise eine von vielen Wicklungen dee Leietungegeneratore eines Fahrzeuge sein» Sie Ausgangsepannung wird von Sieichrichtern 22-25 in Brückenachaltung vollweggleichgerichteto "Jie Gleichrichter 22-25 gestatten auch einen ständigen Stromfluß durch den Verbraucher 27» wenn der Schalter 21 ausgeschaltet (unterbrochen) ist₀ Der Auegang·der Brücke ist mit dem Verbraucher 27» in diesem Falle hauptsächlich einer großen Induktivität 28, und mit einer den Yerbraucherstron messenden und ein diese« proportionales Signal erzeugenden Widerstandsnetzwerk 61-65 verbunden. Das Signal wird mit Hilfe eines Gleichstromverstärker 36 und Suonnierwiderständen 29_f35 «it einem Oleichstrom-Sollwertsignal aus einem Sollwertgeber 30 verglichen» Die balden dem Verstärker 36 zugeführten Signale werden am Eingang dieses Verstärke» voneinander subtrahierte Die Ausgangsgröße des Verstärkers 36 wird einer Glättungeschaltung, bestehend aus einem Widerstand 31 und einem Kondensator 32, und der Eingangsimpedanz eines Verstärkers 40 zugeführt. Im Verstärker 40 wird das geglättete Signal mit einem Teil des dem Verbrauoher-βtrο» proportionalen Signals vergli-ohen, der von einem aus Widerständen 58 und 59 bestehenden Spannungsteiler geliefert wird. Das Auegangesignal des Verstärkers 40 wird dann der Basis eines !transistors 52 zugeführt» Die Vorspannung des Transistors wird von Widerständen 46,49 und 50 geliefert,, die an + 15 Volt liegen und so bemessen,e'ind, daß der Traneietor 48 normalerweise gesperrt Sie sind so geschaltet_f daß das Baitterpotential

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nicht unter das Maaaepotential und das Baaiapotential nicht unter daa Eaiti; er potential linkt (unter Vernachlässigung dee Spannungeabfalls as pn-Obergang in leitenden Zustand in Durchlaßrichtung). Dae Ein- und Ausschalten wird von den beiden Transistoren 52 und 53 bewirkt. Der normalerweise gesperrte Traneistor 48 hält die in Kaskade liegenden Schalttransistoren 52 und 53 normalerweise geöffnet (dcho leitend), so daß der Mittelabgriff 19 praktisch auf Hassepotential liegt. Der Gleichstromverstärker 36 dient zur Bildung einer geeigneten Verbraucherimpedanz fUr die Steuersignale und bildet zusammen mit einer "nachgebenden Rückführung" in T?orm einer RC-Schaltung 55-57 ein Glied mit Vorhalt und Verzögerung erster Ordnung, bei dem die Verzögerungszeitkonetante größer als die Vorhaltζ8itkonetante ist, (lag-lead characteristic)* Der in Reihe mit dem Verbraucher liegende Spannungsteiler 58,59 erzeugt ein weiteres RttckfUhrsignal, um die Stabilität weiter zu verbessern. Das Widerstandsnetzwerk 61-65« das einen Widerstand 65 alt negativen Temperaturkoeffizienten enthält, aorgt für eine gewünschte Änderung des Verbraucherstroos in Abhängigkeit von der Temperatur. Als Verstärker 36 genügt ea_f einen dreistufigen Differenzverstärker ■it einer Eintakt-Endstufe zu verwenden, es können aber auch andere herköMliche Rechenverstärker (auch Operationsverstärker genannt) verwendet werden.

Anhand von Pig. 2 soll jetzt die Wirkungsweise der in fig· 1 gezeigten Regelschaltung bei verschiedenen Verbrauchers trönen Ij₁ als Parameter aa Verlauf der Spannung e_ und des Stroms i_e näher erläutert werden. Diese Größen werden den Schalter 60 zugeführt«. Der Schalter enthält Transistoren als Schaltelemente, Sei Xj₁ « 0 liegt* die Ausgang«Spannung der Wecheeletronijuelie 10,

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Ια übersetzungsverhältnis dee Transfor»ators 11 herunter transforniert, praktisch an Schalter 60, jedoch ist der bei unterbrochener Schaltetrecke des Schalters 60 flieseende Strom vernachläeBigbar, so daß die Halbleiterbauelemente nicht belastet werden,. Bei steigendes Verbrauchers torn I₁ ist der Schalter 60 su Beginn jeder Halbwelle eingeschaltet und bleibt so lange eingeschaltet! bis der integrierte Stron den für eine Halbwelle vorgewählten Wert erreicht, woraufhin der Vorverstärker 40 beginnt, die Traneietoren 52 und 53 in den leitenden Zustand su Behalten«, Die Kollektorspannungen steigen von nahezu VuIl Volt auf die Spannung an der Sekundärwicklung 13 an. Das Ansteigen der Spannung schaltet den Transistor 48 ein und lust den Mitkopplungsvorgang des Schal-, ters 60 aus. Ia gleichen Augenblick sinkt der Kollektorstroa I₈ auf lull, was einer Unterbrechung der Schaltstrecke entspricht. Bei einen KursechluB des Verbrauchers ist der Stroa i_fl tu Beginn jeder Halbwelle, wenn der Vorverstärker 40 die Transistoren 52 und 53 einschaltet bewo durchsteuert, sehr hoch. Die Spannungen an den Widerständen 44 und 54 steigen epru*.*—' »ig an, so daß die Transistoren 53 und 52 gesperrt werden, während der Transietor 48 durchgesteuert wird. Der Verbraucheretroa wird einfaöh bei denjenigen Wert des Kollektorstroe' i_ unterbrochen, der einen derartigen Spannungsabfall an Widerstand 54 erzeugt, daß die von Vorverstärker 40 an Verbindungspunkt von Widerstand 46 und Wideretend 43 orBeugte Spannung die Transistoren 52 und 53 nicht larger durchgesteuert halten kann. Der Wert, bei den dies der Pail ist, wird von BUokfUhrsignal und von SollwertSignalgeber 30 über den Vorverstärker 40 gesteuert.

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Der Translator 52 ist zur Anateuerung des Transistors als Emitterfolger geschaltet, wodurch die Verstärkung dee Traneiotors 53 weeentlieh erhöht wird. Btide Transistoren werden jedoch normalerweise als Schalter betrieben. D.H₀ sie sind entweder völlig gesperrt oder völlig durchgeateuert. Seide Traneietoren werden in an eich bekannter Weise'als Vierpol-Verstärkervorrichtung betrieben. Ihre öeeantkennlinie, d.h. die Abhängigkeit ihres Ausgangestrove voD Eingangsβignal ist praktisch proportional. Vakuumröhren haben zwar in dieser Hinsicht ähnliche Kennlinien, jedoch ist ihr Restwiderstand in durchgesteuerten Zustand EU hoch, un bei der 'vorwiegenden Tastverhältnia-Regelung von Nutzen zu sein» Bine ähnliche Kennlinie ergibt sich bei niedrigeren Signal an der Basis des Transietora 52 (av Eingang) näalich eine niedrigere Kennlinie u_Qe «■ f(i_c).

^Die ^^ien e_fl und I₀ entsprechen praktisch den bereite erwähnten Größen u_c# und i_c, (Spannung zwischen Kollektor und Eeitter, und lollektorstroa) und das Auslösen eines Steuervorgange bedeutet das Sperren der Transistoren 52 und 53» wenn die Ausgangsspannung der Wechselstronquelle 10 und eine hohe Kreisinduktivität bestrebt sind, den Stroa konstant zu halten. Dieser Verzögerungsvorgang läßt die Kollektorapannungen größer werden, so daß der Transistor 48 durchgesteuert wird» Dadurch wird wiederua das den Basisanachlüssen der Transistoren 52 und 53 zugefUhrte Signal verringert, so daß deren Eolloktorpotential ansteigt. Dies ergibt eine kräftige Rückkopplung (regenerative Wirkung), die die Transietoren 52 und 53 plötzlich "hart" sperrt, wodurch ihr Schaltverhalten wesentlich verbessert wird.

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Eine Γ triebshalbwelle endet in den Zeitpunkt, in de» der Verbräuoherstron (gemessen ale Spannung an einen Reihenwideretand) einen vorbestimmten Wert erreichte Sofern keine speziellen Maßnahmen vorgesehen sind, s.B. daa Integrieren der MeS- und Steuersignale, kann das Tastverhältnis auf 0,5 begrenzt werden, wenn es sich nicht us einen stark induktiven Verbraucher handelt. D.h., bei der in Fig. 1 geseigten Ausführung sollte der Verbraucherstrom niemals vob Beginn jeder Halbwelle an bis sum Sperren (Aueschalten) des rückgekoppelten Schalters abnehmen. Außerdem nuß die Rückkopplungsverstärkervorrichtung» der Transistor 48, gesperrt sein. Die Aumgangsspannung der Wechselstronquelle 10 erseugt ein vollweggleiohgeriehtetes Signal aa Abgriff 19, das den Transistor 48 »it jeder Halbwolle selbsttätig surttoksteilt. Sin Verringern der Baiiespannung oder eine entsprechende Maßnahme genügt, den Transietor 48 su sperren und den Sehalter 60 vollständ ig suriieksust eilen·

Ein vorteilhaftes Merkmal der in fig. 1 geseigten Sohalttung ist darin su sehen, daß die HaupteehaltstOSe sua Ende jeder Halbwelle hin auftreten und eine Änderung von 8peiseapannung8potential in Richtung auf Maeeepotential bedeuten. Bei einen herkömmlichen Brückengleiohriohter 22-25 können die Gleichrichter kursseitig nach Umpolung der Spannung an Gleichrichter von Durchlaß auf Sperren Signalspitzen durchlassen. Dies ist eine folg« von Iedungsträgerspeichervorgängen in Halbleitern, die etwa die gleiche Wirkung haben» wie eine Kapasität. Bei steuerbar·» Silioiumgleichrichtern in herkömmlichen Regeleohaltungen ergeben eich dadurch Spannungespltsen, die Bauelement· zerstören oder unerwünschte Zündinpulse indusievtn können.· Bei der in fig, 1 geseigten Schaltung treten Spannungsepitsen auf, wenn die Transistoren 52 und 53 gesperrt

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werden. Obwohl »an zur Entstörung herkömmliche Eatstörungasohaltungen (de-spikung networks) verwenden kann, hat ea sich herausgestellt, daß diese 8törimpuls* oder Spannungsspitzen normalerweise nicht so groß sind, deö dies erforderlich wäre·

Während bei der in Fig. 1 geseigten Schaltung der eine transformator 11 häufig tür Anpassung an das vorliegende Vets erforderlich ist, könnte der zweite Transformator auch durch ein Halbleitträquivalent ersetzt werden. transformatoren haben jedoch den Vorteil, daß pit ihrer Hilfe die Spannlingenennwert· der Schalterbauelenente leicht eingestellt werden können.

Sine andere Ausführung 1st in Fig. 3 gezeigt. Hier wird der durch den Verbraucher 27 fließende Strom auf einen konstanten Mittelwert geregelt. Dazu erfaßt der Vorverstärker 40 diesen Stroa und steuert in Abhängigkeit davon das fastverhältnis des Schalters 60. In Abhängigkeit von diesen fastverhältnis wird des Verbraucher 27. aus der Stromquelle 10 über einen transformator 16 und ein herkömmliohea LC-KIter 100 Leistung zugeführt. Die Hauptmerkmale sind die gleichen wie bsi der in Fig. 1 geseigten Ausführung» ein rückgekoppelter tastverhältnisgesteuerter Schalter in Reihe mit dem Verbraucher und einer Wicklung eines aufwärtstransformierenden franefo* -ore, wobei es sich auch hier um einen tastverhältnisgesteuerten Schalter handelt, der selbsttätig gesperrt wird, wenn der Verbraucher eterk überlaatet wird, ferner stellt sich dieser Schalter selbsttätig zurück und beginnt wieder mit der nächsten Halbwelle.

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Claims (7)

1. Tat entanaprüche

   (Tn Schaltung sur Regelung der StronVersorgung (Strom» Spannung oder leistung) eines Verbrauchers durch Steuerung des Taatverhältnisses von Ijeietungsiapulaen, die den Verbraucher zugeführt werden, gekennzeichnet durch eine Hegeleinrichtung (30,36,40,61-65) zur Bildung eines von der Differenz «wischen Sollwert und Istwert de· Verbrauchest ross (Ij₁) abhängigen Signale, durch einen rückgekoppelten Schalter (60) zur Tastver» hältniaregelung der Leistung, wobei der rückgekoppelte Schalter (60) eine Verstärkungsvorrichtuiig (52,53) enthält, die derart auf die Regeleinrichtung anspricht, daβ sie das Taatverhältnis der den Verbraucher (27) Rugeführten Lelstungsispulse steuert, und durch eine «weite Verstärkungsvorrichtung (48) in den rückgekoppelten Schalter, die die erste Verstärkungavorrichtung (52,53) positiv rUokkoppelt.
2. 2) Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen die Leistungsinpulse zuo Verbraucher (27) übertragenden ersten Tranefortsator (16) Bit Mittelabgriff (19), an den (19) der rückgekoppelte Schalter (60) angeschlossen ist, und durch an die Enden der Bit Mittelabgriff (19) versehenen Friaärwicklung (20) des fransforaators (16) derart angeschlossene Gleichrichter (17,18), daß die. LeistungsiBpulss abwechselnd durch die beiden Hälften der Friaärwicklung (20) fließen.
3. 3) Schaltung nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daS die beiden Verstärkungsvorrichtungen Transistoren (48,52,53) sind, die durch den RUckkopplungsvorgang swlachen den leitenden und de« nichtleitenden Zustand hin und hör geschaltet werden,

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4. 4) Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß vor des rückgekoppelten Schalter (60) ein den Schalter in Abhängigkeit vob gewünsohten Tastverhältnis steuerndes Steuerelenent (40) geschaltet ist, das derart geschaltet ist, da8 der Schalter (60) selbsttätig bei Auftreten eines überetroBs ia Verbraucher (2?) öffnet „
5. 5) Schaltung nach Anspruch 3, daduroh gekennzeichnet , das die Yerstärkungskennlinlen der Verstärkung*vorrichtungen linear sind.
6. 6) Schaltung nach Anspruch- 2, daduroh g β kennse Ichnet , daß der erste Transoraator (16) über einen zweiten nit Nittelabgriff (15) versehenen transformator (11), dessen Übersetzungsverhältnis kleiner als eins ist, an einer Wecheelstroaquelle (10) liegt und die Oleichrichter (17*18) zwischen die beiden Transformatoren (16,11) gesohaltet sind, üb zu gewährleisten, dafl des Sehalter (60) eine etwas geringere Spannung zugeführt wird.
7. 7) Sohaltung nach Anspruch 3, daduroh gekennzeichnet , daß der Verbraucher (27) eine derart hohe Induktivität enthält, daß der StroB in jeder Halbwelle des Arbeitsspiels Bindestens für die Bauer des größeren Teils einer Halbwelle Bit hohes Tastverhältnis ansteigt«

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