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Stromversorgungsanlage mit Spannungsregelung Die Erfindung bezieht
sich auf spannungsgeregelte Strom versorgungsanlagen und findet insbesondere Anwendung
bei Stromversorgungsanlagen mit Wechselstromeingang und Gleichstromausgang.
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Bei den bekannten statischen Stromversorgungsanlagen mit Wechseistromeingang
und Gleichstromausgang wird stets zur Regelung ein phasenveränderliches synchrones
Schaltsystem verwendet, um die Regelfunktion zu erzielen. Dieses Prinzip ist als
Phasensteuerung bekannt. Anlagen, welche dieses Prinzip verwenden, haben gegenüber
mechanisch betätigten Reglern den Vorteil, daß sie schnell auf Störungen reagieren,
keine Wartung benötigen und eine verhältnismäßig lange Lebensdauer haben.
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Anlagen mit Phasensteuerung, insbesondere phasengesteuerte Gleichrichter,
haben jedoch die folgenden Nachteile: 1. Der am Ausgang erhaltene Strom hat eine
ungünstig veränderte Wellenform.
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2. Sie haben am Eingang einen schlechten Leistungsfaktor.
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3. Wegen der Punkte 1 und 2 werden größere Haupttransformatoren benötigt
als bei- anderen Typen.
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4. Sie benötigen größere Glättungsfilter auf der Gleich: stromseite
als bei Gleichrichtern, die durch mechanische Regler geregelt werden.
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5. Der Wirkungsgrad ist wesentlich schlechter als bei mechanisch geregelten
Anlagen.
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Gemäß der Brfindung wird eine Stromversorgungsanlage vorgeschlagen,
die eine lange Lebensdauer, Wartungsfreiheit und eine kurze Ansprechzeit (charakteristisch
für statische Phasensteuerung) besitzt, sowie einen guten Leistungsfaktor an ihrem
Eingang hat. Außerdem werden wenig Störungen auf das Netz übertragen und es ist
ein höherer Wirkungsgrad vorhanden, den sonst nur mechanisch geregelte Gleichrichter
aufweisen.
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Diese Vorteile werden gemäß der Erfindung dadurch erzielt, daß zur
Regelung bei einer spannungsgeregelten Stromversorgungsanlage fUr Gleichstromversorgung
ein statischer Wechselrichter verwendet wird.
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Die Stromversorgungsanlage gemäß der Erfindung mit Wechselstromeingang,
Gleichstromausgang und Spannungsregelung enthält eine Spannungsquelle für Wechselstrom,
einen Zusatzgleichrichter, um einen Teil des Wechselstroms in Gleichstrom zu verwandeln,
einen Wechselrichter, der mit Gleichstrom gespeist wird, Mittel um den Ausgang des
Wechselrichters und den Eingang aus der Wechselstromquelle zusammenzuschalten und
diesen Strom gleichzurichten, Mittel um den gleichgerichteten Ausgangstrom mit einer
Vergleichespannung zu vergleichen und hiervon eine Fehlerspannung abzuleiten, Mittel,
um den Ausgang des Wechselrichters mit dieser Fehlerspannung zu steuern, so daß
eine Spannungsregelung am
Ausgang erzielt wird. Vorzugsweise bestehen
die Mittel, um die Wechselrichterausgangsspannung und den Wechselstromeingang miteinander
zu kombinieren aus einem Summierungsgl-ei.ehriehter-Die Erfindung soll anhand der
Figuren näher erläutert werden.
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Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild aus dem hervorgeht, wie die einzelnen
Teile der Stromversorgungsanlage gemäß der Erfindung miteinander verbunden sind.
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Figur 2 zeigt eine Stromversorgungsanlage gemäß der Erfindung mit
einem Eingang für Dreiphasen-Wechselstrom.
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In Figur 1 sind die einzelnen Schaltungsteile wie folgt bezeiCh-net:
Mit 1 ist eine Einphasen- oder Mehrphasen-Wechselstrom--quelle bezeichnet. Der Haupttransformator
2 hat zwei Sekundärwicklungen A und B. Der Zusatzgleichrichter 3 ist an die Wicklung
B des Haupttransformators 2 angeschlossen und liefert Gleichstrom an den Wechselrichter
5.
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Der Summierungsgleichrichter 4 erzeugt an seinem Ausgang eine Gleichspannung,
der die gleichgerichtete Summe der beiden Wechselspannungen dargestellt, welche
von der Wicklung A des Haupttransformators 2 und von dem Wechselrichter 5 geliefert
werden.
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Mit 5 ist ein statischer Einphasen- oder Mehrphasenwechselrichter
mit Selbsikommutierung bezeichnet, der mit Mitteln zur Regelung der Ausgangsspannung
versehen ist.
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In der Vergleichssehaltung 6 wird ein Fehlersignal erzeugt, das den
Ausgang des Wechselrichters 5 steuert.
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Mit 7 ist die Vergleichsspannungsquelle bezeichnet, deren Spannung
mit der Ausgangsspannung der Stromversorgungsanlage verglichen wird Mit 8 ist ein
Tiefpaßfilter bezeichnet.
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Mit 9 ist eine Last bezeichnet, die einen Gleichstrom mit konstante-r
Spannung benötigte Der Haupttransformator 2 liefert den überwiegenden Teil der gesamten
Leistung der Stromversorgungsanlage an seiner Sekundärwicklung A und den kleineren
Teil, der zur Regelung benötigt wird, an seiner Sekundärwicklung B. Die Wicklung
B besteht bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel. der Erfindung aus einem Teil
der Primärwicklung des Transformators 2 nach Art eines -Spartransformators..
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Der ung-eregelt-e Ausgang von der Wicklung A wird durch den Summierungsgleichrichter
4 gleichgerichtet und durch .d-as Tiefpaßfilter 8 geglättet. Dadurch wird der Hauptteil
der an der Last 9 benötigten Gleichspannung geliefert.
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Der Wechselstrom aus der Wicklung B wird durch den Zusatzgleichrichter
3 gleichgerichtet und dazu verwendet., den statischen Wechselrichter 5 zu betreiben.
Der Wechselrichter wird bei einer Frequenz betrieben, durch die am- Ausgang eine
Welligkeit erzeugt wird, deren Frequenz gleich oder größer ist als die Prequenz
der Welligkeit am Ausgang des Summierungsgleichrichters, der an die Wicklung Ä angeschlossen
ist. Die veränderliche Wechselspannung am Ausgang des Wechselrichters wird dem Summierungsgleichrichter
4 zugeführt, wo sie gleichgerichtet und zu der Gleichspannung addiert wird, welche
aus der Wicklung A des Haupttransformators gewonnen wird..
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Die aus dem Summierungsgleichrichter erhaltene kombinierte ,Ausgangsspannung
wird mit dem Filterkreis 8 geglättet, um die hochfrequenten Anteile zu entfernen
und der Last 9 zugeführt. Ein Teil der Ausgangaspannung wird der Vergleichsschaltung
6 zugeführt und dort mit der Spannung der Vergleichsspannungsquelle 7 verglichen.
Das erhaltene Pehlersignal ateuert den Wechselrichter 5 in der Weise, daß die Abweichung
vermindert wird und die Spannung an der Last auf einem konstanten Wert gehalten
wird.
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Figur 2 zeigt im Einzelnen eine Schaltungsanordnung, die eine bevorzugte
Ausführungsform der Erfindung darstellt.
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An den Eingangsanschlüssen 14, 15 und 16 wird Dreiphasen-Wechselstrom
eingespeist und dem Haupttransformator 2 zugeführt. Die Sekundärwicklungen A des
Haupttransformators 2 sind in Dreieckschaltung geschaltet und an den Summierungsgleichrichter
angeschlossen, der die Gleichrichteranordnungen MR1 und MR2 (mit den Dioden D1 und
D2) enthält, während die zusätzlichen Sekundärwicklungen B, welche mit den Primärwicklungen
einen Spartransformator bilden, an die Zusatzgleichrichterbrücke 3 angeschlossen
sind.
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Die Ausgangsgleichspannung vom Gleichrichter 3 wird mit der Drossel
L1 und dem Kondensator Cl geglättet und dem Wechselrichter 5 zugeführt, der beispielsweise
ein Wechselrichter in Brückenschaltung ist. Die Ausgangsspannung eines solchen Wechselrichters
ist eine quasi-rechteckige Spannung mit konstanter Amplitude aber veränderlicher
Pulsdauer, wie dies bei 10 in Figur 2 angedeutet ist. Diese Spannung wird der Primärwicklung
des Transformators 12 zugeführt.
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Der Summierungsgleichrichter, der die Dioden Dl und D2 enthält, wird
also mit zwei Wechselspannungen gespeist. Diese beiden Spannungen werden addiert
und gleichgerichtet, so daß am Ausgang dieses Gleichrichters ein einziges
Gleichspannungssignal
erhalten wird. Die addition der beiden Spannungen wird durch die dargestellte Gleichrichteranordnung
wirkungsvoller erreicht, als durch andere bekannte Schaltungsanordnungen.
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Die Ausgangsgleichspannung des Summierungsgleichrichters wird von
den Mittelanschlüssen der beiden Sekundärwicklungen des Transformators 12 abgenommen
und hat di bei 11 dargestellte Wellenform. Man ersieht daraus, daß diese Wellenform
die Welligkeitsfrequenzen enthält, welche, durch den üblichen Dreiphasen-Brückengleichrichter
erzeugt werden und ebenso die Welligkeit die von Wechselrichter erzeugt wird, die
eine doppelt so große Frequenz hat wie der letztere. Diese zusammengesetzte Welligkeit
wird vor dem Gleichspannungsausgang geglättet mit der Glättungsschaltung, welche
die beiden Drosselspulen L2 und L3 sowie den Kondensator D2 enthält, welche zusammen
das Filter 8 von Figur 1 bilden.
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Wenn der Wechselrichter auf eine maxiale Pulsdauer (d.h. richtige
Rechteckwellen) eingestellt ist, enthält der Ausgang des Summierungsgleichrichters
nur die Welligkeit, die durch den direkten Eingang vom Transformator 2 erhalten
wird, jedoch ist dessen tatsächliche Spannung um den Wert der vollen Sekundärspannung
des Transformators 12 größer als die Ausgangsspannung eines reinen Gleichrichters,
der an die gleiche Dreiecksschaltung der Wicklungen des Transformators 2 angeschlossen
ist. Andererseit-s kann dann, wenn der Wechselrichter die Pulsdauer Null hat, die
Primärwicklung 12 als kurz geschlossen betrachtet werden. Der Summierungsgleichrichter
verhält sich nun wie ein reiner Gleichrichter und erzeugt allein ein Ausgangsspannung
von der Spannung der in Dreieck geschalteten Wicklungen des Transformators 2. Wenn
die Pulsdauer des Wechselrichters zwischen
diesen beiden Extremwerten
liegt, besteht die Ausgangsspannung des Summierungsgleichrichters aus der mittleren
gleichgerichteten Wechselrichterausgangsspannung plus der vollen Ausgangsspannung
der in Dreiecksschaltung angeordneten Sekundärwicklungen A. Durch Veränderungen
der Pulsdauer des Wechselrichters ist es also möglich, die mittlere Spannung der,
ganzen Anordnung an den Ausgangsklemmen zu steuern.
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Die Steuerwicklung für den Konstantspannungsbetrieb enthält eine Fühlerschaltung
13, welche der Vergleichsschaltung 6 einen Teil der Ausgangsspannung zuführt. In
der Vergleichsschaltung wird diese Spannung mit der Spannung d'er Vergleichsspannungsquelle
7 verglichen und die sich ergebende Differenzspannung oder Fehlerspannung wird dazu
benutzt, die Dauer der Wechselrichterpulse in der Weise zu steuern, daß die Fehlerspannung
vermindert wird. Auf diese Weise wird die Äusgangsspannung der ganzen Anordnung
auf einen ziemlich konstanten Wert gehalten.
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Anlagen: 7 Patentansprüche 2 Bl. Zeichnungen 1 Bl. Verzeichnis der
verwendeten Bezeichnungen