DE19522369A1

DE19522369A1 - Gleichrichter-Netzteil

Info

Publication number: DE19522369A1
Application number: DE19522369A
Authority: DE
Inventors: Klaus-P Schmidt
Original assignee: Dalex Werke Niepenberg GmbH and Co KG
Current assignee: Dalex Werke Niepenberg GmbH and Co KG
Priority date: 1995-06-20
Filing date: 1995-06-20
Publication date: 1997-01-02

Description

Die Erfindung betrifft ein Gleichrichter-Netzteil, insbeson dere für Schweiß- oder Plasma-Schneidgeräte, mit einem an ein Wechselspannungsnetz anschließbaren Doppelweg-Gleich richter, welchem ein kapazitiver Stützkreis und ein den zeit lichen Verlauf der Netzstromaufnahme an den Netzspannungs verlauf anpassender Aufwärtswandler nachgeordnet sind, wobei der Aufwärtswandler von einem Regelglied angesteuert ist, dem als Eingangsgrößen die zeitlichen Verläufe der Netzstrom aufnahme, der Eingangs- und der Ausgangsspannung des Auf wärtswandlers sowie insbesondere ein auf die Ausgangsspan nung des Aufwärtswandlers bezogener Sollwert zugeführt sind.

Derartige Gleichrichter-Netzteile sollen problemlos an unter schiedliche Versorgungswechselspannungen, insbesondere auch an von Generatoren erzeugte Versorgungswechselspannungen anschließbar sein. Dabei ist es vor allem wünschenswert, daß sich das Gleichrichter-Netzteil ohne die Betätigung von Schaltern oder Potentiometern selbsttätig stufenlos an die beispielsweise in einem Bereich von 90 bis 250 VAC variieren den Amplituden der Versorgungsspannungen anpaßt. Hierbei wird weiterhin gefordert, daß auch vergleichsweise große Netzspannungsschwankungen, die beispielsweise ±30% betragen können, keine negativen Auswirkungen auf die Funktionsweise bzw. den Wirkungsgrad des Netzteils haben.

Schließlich ist es für die Einhaltung bestehender Normen auch nötig, die Gleichrichter-Netzteile so auszubilden, daß sie einen möglichst hohen Wirkungsgrad bzw. einen möglichst guten Leistungsfaktor cosϕ aufweisen, um die aus dem Ver sorgungsnetz aufgenommene Scheinleistung gering zu halten und den von den Geräten erzeugten und in nachteiliger Weise auf das Versorgungsnetz zurückwirkenden Oberwellengehalt zu reduzieren.

Die genannten Leistungsmerkmale eines Gleichrichter-Netz teils werden zumindest teilweise durch den Einsatz des ein gangs erwähnten Aufwärtswandlers erreicht, der zum einen da für sorgt, daß sich das Gleichrichter-Netzteil selbsttätig an unterschiedliche Versorgungsspannungen anpaßt und anderer seits eine Verbesserung des Leistungsfaktors cosϕ bewirkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gleichrich ter-Netzteil der eingangs erwähnten Art so auszubilden bzw. einen in einem derartigen Netzteil vorhandenen Aufwärtswand ler so zu modifizieren bzw. zu beschalten, daß sich eine wei tere Verbesserung des Wirkungsgrades bzw. eine weitere Ver besserung des Leistungsfaktors cosϕ ergibt.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die durch die Ausgangsspannung des Aufwärtswandlers gebildete Eingangsgröße des Regelglie des diesem über einen bandbegrenzenden und eine vom kapaziti ven Stützkreis erzeugte Wechselspannungskomponente dämpfen den Filterbaustein zugeführt ist.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß einer Komponente des Regelglieds anstelle der durch die Eingangsspannung des Aufwärtswandlers gebildeten Eingangsgröße die mit dem Quadrat ihres Kehrwerts multiplizierte Eingangsspannung des Aufwärtswandlers im we sentlichen unverzögert zugeführt ist.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Lösungsansätze gemäß der ersten und der zweiten Ausführungsform der Erfindung in einem Gleichrichter-Netzteil miteinander kombiniert werden.

Zum besseren Verständnis der Erfindung sei vorab die Funk tion des im Gleichrichter-Netzteil enthaltenen Aufwärtswand lers beschrieben:

Der Aufwärtswandler ist mit zwei Eingangs- und zwei Ausgangs klemmen versehen, wobei zwischen der ersten Eingangs- und der ersten Ausgangsklemme eine Reihenschaltung aus einer Drossel und einer Diode vorgesehen ist. Der Verbindungspunkt von Drossel und Diode ist über einen elektronischen Schalter mit der zweiten Eingangs- und der zweiten Ausgangsklemme verbunden.

Dabei ist der elektronische Schalter von einem Regelglied beaufschlagt, das einen ersten und einen zweiten vergleichen den Regelverstärker, einen Multiplizierer und eine den elek tronischen Schalter des Aufwärtswandlers ansteuernde Pulswei tenmodulationstreiberstufe aufweist.

Der erste Regelverstarker des Regelgliedes vergleicht je weils die momentane Ausgangsspannung des Aufwärtswandlers mit einem auf die Ausgangsspannung des Aufwärtswandlers bezo genen Sollwert. Das Ausgangssignal dieses ersten Regelver stärkers erzeugt im stationären Betriebsfall, das heißt bei übereinstimmenden Eingangssignalen, ein Gleichspannungssig nal.

Das Ausgangssignal des ersten Regelverstärkers wird ebenso wie ein dem Betrag der Eingangsspannung des Aufwärtswandlers entsprechendes Signal dem Multiplizierer zugeführt, dessen Ausgangssignal somit dem Verlauf der Eingangsspannung des Aufwärtswandlers bzw. dem Netzspannungsverlauf und damit dem Sollverlauf der Netzstromaufnahme entspricht.

Das Ausgangssignal des Multiplizierers wird dann dem zweiten Regelverstärker zugeführt, an welchen als zweites Eingangs signal ein dem tatsächlichen zeitlichen Verlauf der Netz stromaufnahme repräsentierendes Signal angelegt ist.

Das Ausgangssignal des zweiten Regelverstärkers ist der Puls weitenmodulationstreiberstufe zugeführt und steuert diese letztendlich so an, daß der tatsächliche Verlauf der Netz stromaufnahme dem Sollverlauf angepaßt wird. Da die Form des Sollverlaufs durch die Einspeisung des Betrages der Eingangs spannung des Aufwärtswandlers in den Multiplizierer vorgege ben wird, wird die Kurvenform der Netzstromaufnahme der Kur venform der Netzspannung angeglichen, was zu einem besseren Leistungsfaktor cosϕ führt.

Die Pulsweitenmodulationstreiberstufe erzeugt ein Taktsignal mit modulierter Pulsweite, welches den elektronischen Schal ter des Aufwärtswandlers ansteuert und eine Frequenz auf weist, die deutlich, beispielsweise um den Faktor 1000, über der Netzfrequenz liegt. Bevorzugt beträgt die Taktfrequenz der Pulsweitenmodulationstreiberstufe zwischen 20 und 60 kHz.

Durch den Einsatz des auf die beschriebene Art und Weise an gesteuerten Aufwärtswandlers werden neben der Verbesserung des Leistungsfaktors cosϕ eine Reihe von weiteren Vorteilen erzielt:

- Das Übersetzungsverhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangs spannung des Aufwärtswandlers kann stufenlos verändert wer den, wobei durch die im Aufwärtswandler integrierte Dros sel insbesondere auch Spannungen erzeugt werden können, die oberhalb der Netzspannung liegen. Der Aufwärtswandler wird dabei beispielsweise so konfiguriert, daß seine Aus gangsspannung unabhängig von der Netzspannung immer eine Amplitude von ungefähr 360 V aufweist.
- Es muß kein mit den üblichen Nachteilen der Kopplungs probleme und Streuinduktivitäten behafteter Transformator eingesetzt werden.
- Die auftretende Sperrspannungsbeanspruchung der elektroni schen Schalter wird auf die Ausgangsspannung des Aufwärts wandlers begrenzt.
- Die Dimensionierung der dem Aufwärtswandler nachgeschalte ten Bauteile gestaltet sich wesentlich einfacher, da die Bauteile nur auf eine feste Ausgangsspannung des Aufwärts wandlers ausgelegt werden müssen, das heißt, diesen Bautei len wird unabhängig von der Amplitude der Netzspannung immer eine einheitliche Spannung zugeführt.

Der Erfindung gemäß der ersten Lösungsvariante liegt die Er kenntnis zugrunde, daß der dem Aufwärtswandler nachgeschalte te kapazitive Stützkreis die am Ausgang des Aufwärtswandlers fehlende Leistung zur Erzeugung einer letztendlich konstan ten Leistung zur Verfügung stellen muß, weshalb der kapaziti ve Stützkreis eine der Ausgangsspannung des Aufwärtswandlers überlagerte Wechselspannung erzeugt. Die Frequenz dieser Wechselspannung entspricht der doppelten Netzfrequenz, ihre Amplitude ist abhängig von der vom Stützkreis zur Verfügung gestellten Leistung.

Die genannte, durch den kapazitiven Stützkreis erzeugte Wech selspannung führt zu dem Problem, daß der erste Regelverstär ker des den Aufwärtswandler ansteuernden Regelgliedes die am Ausgang des Aufwärtswandlers überlagerte Wechselspannung fäl schlicherweise als Fehler interpretiert, welcher vom ersten Regelverstärker mit invertierter Phasenlage verstärkt wird.

Dieser verstärkte Fehler pflanzt sich dann auf den Multipli zierer und in der Folge auch auf den zweiten Regelverstärker fort und führt letztendlich zu einer erheblichen Verzerrung des Verlaufs der Netzstromaufnahme und somit zu einem ver schlechterten Leistungsfaktor cosϕ und zu einem erhöhten Oberwellengehalt des Netzstromes.

Um diesen Fehler zu vermeiden, wird gemäß der ersten Lösungs variante der Erfindung die Ausgangsspannung des Aufwärtswand lers dem Regelglied bzw. dem ersten Regelverstärker des Re gelgliedes nicht direkt, sondern über einen bandbegrenzenden Filterbaustein zugeführt, der die vom kapazitiven Stützkreis erzeugte Wechselspannungskomponente dämpft bzw. ausfiltert. Folglich kann erfindungsgemäß der erste Regelverstärker des Regelgliedes den durch die überlagerte Wechselspannung be dingten Fehler nicht mehr verstärken und auf die weiteren Komponenten des Regelgliedes übertragen.

Dies führt dazu, daß Verzerrungen des Verlaufs der Netzstrom aufnahme vermieden werden und ein guter, das heißt ein ver besserter Leistungsfaktor cosϕ erzielbar ist.

Der erfindungsgemäß vorgesehene Filterbaustein wird vorzugs weise als Tiefpaß ausgeführt, wobei die Grenzfrequenz des Filterbausteins so gewählt ist, daß die doppelte Netzfre quenz im Dämpfungsbereich liegt.

Vorzugsweise kann die Grenzfrequenz des Filterbausteins in Abhängigkeit von der Netzfrequenz einstellbar sein, wobei mögliche Netzfrequenzen in einem Bereich von 50 bis 400 Hz liegen, so daß das erfindungsgemäße Gleichrichter-Netzteil an alle weltweit unterschiedlichen Versorgungsnetze und insbesondere auch an Schiffsgeneratoren angeschlossen werden kann.

Der Erfindung gemäß der zweiten Lösungsvariante liegt folgen de Erkenntnis zugrunde:

Es wird gefordert, daß der Aufwärtswandler eine konstante Ausgangsleistung abgibt, was mittels eines entsprechenden Stromflusses durch den elektronischen Schalter des Aufwärts wandlers bewerkstelligbar ist. Der Strom entspricht dabei einer bestimmten Einschaltzeit des elektronischen Schalters.

Wenn die Eingangsspannung des Netzteils in ihrem normalen, im wesentlichen sinusförmigen Verlauf oder auch durch Netz spannungsschwankungen beispielsweise halbiert wird, muß der Strom zur Gewährleistung einer konstanten Leistung verdop pelt werden.

Eine Verdopplung des Stroms läßt sich dabei aufgrund der verringerten Spannung jedoch nicht durch eine Verdopplung der Einschaltzeit des elektronischen Schalters, sondern nur durch eine Vervierfachung derselben erreichen. Bei der Ver ringerung der Eingangsspannung des Netzteils um einen be stimmten Faktor muß also zur Gewährleistung konstanter Lei stung die Einschaltzeit des elektronischen Schalters des Aufwärtswandlers um das Quadrat dieses Faktors verlängert werden.

In diesem Zusammenhang ist es problematisch, daß die die Ein schaltzeit des elektronischen Schalters des Aufwärtswandlers steuernde Regelschleife eine gewisse Reaktionszeit aufweist. Aufgrund des vorstehend beschriebenen Sachverhalts wird bei spielsweise die bei einem Lastsprung von 0 auf 230 V gegebene Regel zeit von 50 ms bei einem Lastsprung von 0 auf 115 V um den Faktor 4 auf 200 ms verlängert.

Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, daß sich die Reak tionszeit des Regelkreises mit dem Quadrat der Eingangsspan nung des Aufwärtswandlers verlängert.

Daher kann der unerwünschten Verlängerung der Reaktionszeit dadurch entgegengewirkt werden, daß dem Regelglied anstelle der durch die Eingangsspannung des Aufwärtswandlers gebilde ten Eingangsgröße die mit dem Quadrat ihres Kehrwerts multi plizierte Eingangsspannung des Aufwärtswandlers unverzögert zugeführt wird. Durch die Multiplikation der Eingangsspan nung des Aufwärtswandlers mit dem Quadrat ihres Kehrwerts wird der beschriebene Fehler mathematisch eliminiert, wo durch gewährleistet ist, daß das Regelglied bzw. dessen erster Regelverstärker nur noch die Leistungsänderungen am Ausgang des Aufwärtswandlers ausregelt und Änderungen in der Eingangsspannung des Aufwärtswandlers unberücksichtigt blei ben.

Für eine besonders gute Funktionsweise eines erfindungsge mäßen Gleichrichter-Netzteils gemäß der zweiten Lösungsva riante ist es von Vorteil, wenn dem im Regelglied enthalte nen Multiplizierer das dem Quadrat des Kehrwerts der Ein gangsspannung des Aufwärtswandlers repräsentierende Signal mit einer möglichst kurzen, insbesondere einer vernachlässig baren Verzögerungszeit zugeführt wird.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert; es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Gleichrichter-Netz teils gemäß dem Oberbegriff des Patentan spruchs 1,

Fig. 2 den schematischen Aufbau eines Regelgliedes zur Ansteuerung eines Aufwärtswandlers,

Fig. 3 verschiedene, bei einem Gleichrichter-Netz teil gemäß Fig. 1 gegebene Kurvenverläufe,

Fig. 4 ein gemäß der ersten Lösungsvariante der Er findung modifiziertes Blockschaltbild gemäß Fig. 1,

Fig. 5 einen bei einem Gleichrichter-Netzteil gemäß Fig. 4 einsetzbaren Filterbaustein,

Fig. 6 verschiedene Kurvenverläufe eines Gleichrich ter-Netzteils gemäß Fig. 4, und

Fig. 7 ein Schaltbild eines Gleichrichter-Netzteils gemäß der zweiten Lösungsvariante der Erfin dung.

Das in Fig. 1 durch ein Blockschaltbild dargestellte Netz teil weist einen Doppelweg-Gleichrichter 1 mit zwei Eingangs klemmen 2 auf, die an ein Wechselspannungsnetz anschließbar sind.

Dem Doppelweggleichrichter 1 ist in Parallelschaltung ein Aufwärtswandler bzw. Hochsetzsteller 3 und ein kapazitiver Stützkreis 4 nachgeschaltet.

Der Aufwärtswandler 3 ist mit zwei Eingangsklemmen 5, 6 und zwei Ausgangsklemmen 7, 8 versehen, wobei zwischen der ersten Eingangsklemme 5 und der ersten Ausgangsklemme 7 in Reihenschaltung eine Drossel 9 und eine Diode 10 vorgesehen sind.

Der Verbindungspunkt von Drossel 9 und Diode 10 ist über einen elektronischen Schalter 11 mit der zweiten Eingangs klemme 6 und der zweiten Ausgangsklemme 8 kontaktiert.

Der elektronische Schalter 11 ist als steuerbarer Schalter ausgeführt, welcher mit einem von einem Regelglied 13 erzeug ten Taktsignal 12 beaufschlagt wird.

Dem Regelglied 13 sind als Eingangsgrößen die zeitlichen Ver läufe der Netzstromaufnahme I_ist, der Eingangsspannung des Aufwärtswandlers U_e und der Ausgangsspannung des Aufwärts wandlers U_a zugeführt. Zudem wird an das Regelglied 13 ein auf die Ausgangsspannung des Aufwärtswandlers bezogener Soll wert U_a/soll angelegt.

In Abhängigkeit von diesen Eingangsgrößen erzeugt das Regel glied 13 das den elektronischen Schalter 11 beaufschlagende Taktsignal 12. Der Doppelweggleichrichter 1 erzeugt eine Gleichspannung, der durch den kapazitiven Stützkreis 4 eine Wechselspannung mit doppelter Netzfrequenz überlagert wird, die schließlich für eine weitgehend konstante Ausgangslei stung der Gesamtanordnung sorgt. Durch den Einsatz des durch das Regelglied 13 angesteuerten Aufwärtswandlers 3 werden neben der Anpaßbarkeit des Netzteils an unterschiedliche Netzspannungen und dem verbesserten Leistungsfaktor cosϕ die vorstehend bereits erwähnten Vorteile erreicht.

Um das Steuerprinzip des Aufwärtswandlers 3 zu verdeutli chen, ist in Fig. 2 der prinzipielle Aufbau des Regelgliedes 13 veranschaulicht.

Das Regelglied 13 weist einen ersten Regelverstärker 14, einen zweiten Regelverstärker 15, einen Multiplizierer 16 sowie eine den elektronischen Schalter 11 des Aufwärts wandlers 3 ansteuernde Pulsweitenmodulationstreiberstufe 17 auf.

Der erste Regelverstärker 14 ist mit der Ausgangsspannung U_a und dem auf diese bezogenen Sollwert U_a/soll beaufschlagt.

Das Ausgangssignal U_R1 des ersten Regelverstärkers 14 ist ge meinsam mit einem den Betrag der Eingangsspannung des Auf wärtswandlers U_e repräsentierenden Signal dem Multiplizierer 16 zugeführt, dessen Ausgangssignal wiederum ein Eingangs signal des zweiten Regelverstärkers 15 bildet.

Dem zweiten Regelverstärker 15 ist als zweites Eingangs signal ein den zeitlichen Verlauf der Netzstromaufnahme I_ist repräsentierendes Signal zugeführt.

Das Ausgangssignal des zweiten Regelverstärkers 15 ist der Pulsweitenmodulationstreiberstufe 17 zugeführt, welche in Ab hängigkeit von diesem Eingangssignal ein Taktsignal mit variabler Pulsweite erzeugt, über das der elektronische Schalter 11 des Aufwärtswandlers 3 angesteuert wird.

Vorzugsweise wird die Pulsweitenmodulationstreiberstufe 17 mit einem Überspannungs- bzw. Überstromschutz versehen, wel cher für eine Abschaltung sorgt, wenn die Eingangsspannung des Aufwärtswandlers bzw. die Netzstromaufnahme einen vorge gebenen Sollwert überschreitet.

Die eingangs bereits erläuterte Funktionsweise des Regelglie des 13 wird im folgenden nochmals kurz erklärt:

Der erste Regelverstärker 14 vergleicht die Ausgangsspannung U_a des Aufwärtswandlers 3 mit dem auf diese bezogenen Soll wert U_a/soll. Das die Differenz dieser beiden Signale reprä sentierende Ausgangssignal U_R1 des ersten Regelverstärkers 14 wird mit dem Betrag der Eingangsspannung U_e des Aufwärts wandlers 3 multipliziert, wobei das entsprechende Produkt eine Vorgabe I_soll für die Netzstromaufnahme bildet.

Dieses Signal I_soll wird gemeinsam mit dem Ist-Wert I_ist der Netzstromaufnahme dem zweiten Regelverstärker 15 zugeführt, der den aufgenommenen Netzstrom entsprechend der Sollwert vorgabe I_soll nachführt. Dadurch ist gewährleistet, daß der Verlauf von I_soll immer im wesentlichen dem Netzspannungsver lauf folgt.

Das Ausgangssignal des zweiten Regelverstärkers 15 steuert die Pulsweitenmodulationstreiberstufe 17 an, die dann ent sprechend die Öffnungszeiten des elektronischen Schalters 11 im Aufwärtswandler 3 verändert.

Fig. 3a zeigt den Verlauf der gleichgerichteten, sinusförmi gen Netzspannung U_e am Eingang des Aufwärtswandlers 3, wäh rend Fig. 3b den Spannungsverlauf U_a am Ausgang des Aufwärts wandlers 3 repräsentiert.

Die im Ausgangssignal U_a des Aufwärtswandlers 3 enthaltene und vom kapazitiven Stützkreis 4 erzeugte Wechselspannungs komponente wird dem ersten Regelverstärker 14 des Regelglie des 13 zugeführt, was zu einer unerwünschten und eingangs bereits erläuterten Verfälschung des Ausgangssignal U_R1 des ersten Regelverstärkers 14 gemäß Fig. 3c führt.

Dieses verfälschte Regelsignal bewirkt schließlich eine Ver zerrung der Netzstromaufnahme gemäß Fig. 3d.

Der durch Fig. 3 veranschaulichte unerwünschte Effekt der Verzerrung der Netzstromaufnahme wird gemäß der ersten Lö sungsvariante dem Erfindung durch eine Schaltungsanordnung gemäß Fig. 4 beseitigt.

Der Schaltungsaufbau gemäß Fig. 4 entspricht weitgehend dem in Fig. 1 dargestellten Aufbau, wobei im Unterschied zu Fig. 1 die durch die Ausgangsspannung U_a des Aufwärtswand lers 3 gebildete Eingangsgröße des Regelgliedes 13 diesem über einen bandbegrenzenden und die vom kapazitiven Stütz kreis 4 erzeugte Wechselspannungskomponente (siehe Fig. 3b) dämpfenden Filterbaustein 18 zugeführt ist.

Ein möglicher Aufbau des Filterbausteins 18 ist in Fig. 5 dargestellt.

Über einen Widerstand 19 wird die Ausgangsspannung U_a des Aufwärtswandlers 3 dem positiven Eingang eines Operationsver stärkers 20 zugeführt, an dessen Ausgang sich in Reihe ge schaltet ein regelbarer Widerstand 21 und ein weiterer Wider stand 22 anschließen, die auf den negativen Eingang des Ope rationsverstärkers 20 rückgekoppelt sind.

Der negative Eingang des Operationsverstärkers 20 ist über einen Widerstand 23 mit dem positiven Eingang eines weiteren Operationsverstärkers 24 verbunden, dessen Ausgang auf sei nen negativen Eingang rückgekoppelt ist.

Weiterhin ist der negative Eingang des ersten Operationsver stärkers 20 über einen Kondensator 25 auf Masse gelegt.

Der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 24 bildet das gefilterte Ausgangssignal U_a′, welches dem Regelglied 13 zu geführt wird.

Durch den regelbaren Widerstand 21 ist die in Fig. 5 darge stellte Filteranordnung auf verschiedene Netzfrequenzen ein stellbar, das heißt die Filteranordnung gemäß Fig. 5 kann jeweils so ausgelegt werden, daß ein die doppelte Netzfre quenz aufweisender Anteil der Ausgangsspannung U_a des Auf wärtswandlers 3 ausgefiltert wird.

Anstelle des regelbaren Widerstandes 21 kann ebenso eine ver schieden große Widerstände zum Einsatz bringende Schalteran ordnung vorgesehen sein, über die die jeweils erforderliche Einstellung vorgenommen wird.

Die Filteranordnung gemäß Fig. 5 ist insbesondere so ausge legt, daß sie an Netzfrequenzen zwischen 50 und 60 Hz sowie auch an Schiffsgeneratorfrequenzen von 400 Hz angepaßt wer den kann.

Fig. 6 veranschaulicht die der Fig. 3 entsprechenden Kurven verläufe bei Einsatz eines Filterbausteins gemäß den Fig. 4 und 5.

Die Eingangsspannung U_e (Fig. 6a) und die Ausgangsspannung U_a (Fig. 6b) des Aufwärtswandlers 3 verlaufen bei Einsatz des Filterbausteins entsprechend Fig. 3.

Durch die Ausfilterung des Wechselspannungsanteils aus dem dem Regelglied 13 zugeführten Signal U_a ergibt sich ein kon stantes Regelsignal U_R1 (Fig. 6c) des ersten Regelverstär kers 14.

Durch dieses konstante und nicht mehr mit dem Fehler gemäß Fig. 3 behaftete Regelsignal URI wird schließlich ein unver zerrter Verlauf der Netzstromaufnahme gemäß Fig. 6d er reicht, das heißt die Kurvenform der Netzstromaufnahme folgt bestmöglich der Kurvenform der Netzspannung gemäß Fig. 6a.

Auf die beschriebene Weise wird eine erhebliche Verbesserung des Leistungsfaktors cosϕ und die Reduzierung des Oberwellen gehaltes des Netzstromes erreicht.

Fig. 7 zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen Gleichrich ter-Netzteils gemäß der zweiten Lösungsvariante, wobei für die in den Fig. 2 und 4 verwendeten und auch in einer Schaltungsanordnung gemäß Fig. 7 enthaltenen Elemente ent sprechende Bezugszeichen gewählt sind.

Der zwei Eingangsklemmen aufweisende Doppelweggleichrichter 1 ist in herkömmlicher Weise aus vier entsprechend miteinan der verschalteten Dioden 26 aufgebaut.

An die beiden Ausgangsklemmen des Doppelweggleichrichters 1 ist der Aufwärtswandler 3 angeschlossen, welcher ebenso auf gebaut ist, wie der Aufwärtswandler gemäß Fig. 4.

Dem Aufwärtswandler 3 ist ein kapazitiver Stützkreis 4 nach geordnet, welcher aus einem parallel zu den Ausgangsklemmen des Aufwärtswandlers 3 geschalteten Kondensator 27 besteht.

An die Ausgangsklemmen des kapazitiven Stützkreises 4 ist ein in herkömmlicher Weise mit zwei elektronischen Schaltern 28 und zwei Gleichrichterdioden 29 beschalteter Stromwandler 30 angeschlossen.

An den Stromwandler 30 schließt sich ein Leistungsgleichrich ter 31 mit Gleichrichterdiode 32, Entmagnetisierungsdiode 33 und Glättungsdrossel 34 an.

Der Ausgang des Leistungsgleichrichters 31 ist schließlich mit einem Schweißstromkreis 35 gekoppelt, der im wesentli chen aus einem Elektrodenhalter 36 und einem Werkstück 37 be steht, wobei Elektrodenhalter 36 und Werkstück 37 die eigent liche Last der Gesamtschaltung darstellen.

Der elektronische Schalter 11 des Aufwärstwandlers 3 ist mit einem Taktsignal 12 beaufschlagt, das vom Regelglied 13 gene riert wird, wobei das Regelglied 13 folgendermaßen aufgebaut ist:

Über einen Verstärker 38 wird dem Multiplizierer 16 die Ein gangsspannung U_e des Aufwärtswandlers 3 zugeführt.

Die Ausgangsspannung U_a des Aufwärtswandlers 3 kann dem Re gelglied 13 dabei über den Filterbaustein 18 gemäß der be reits beschriebenen ersten Lösungsvariante zugeführt werden, wobei der Filterbaustein 18 beispielsweise entsprechend Fig. 5 aufgebaut sein kann. Ebenso ist es jedoch auch möglich, den Filterbaustein 18 nicht einzusetzen und die Ausgangsspannung U_a dem Regelglied 13 direkt zuzuführen, wobei in diesem Fall mit der Gesamtschaltung lediglich die Vorteile der verringerten Reaktionszeit gemäß der zweiten Lösungsvariante erreichbar sind.

Die gegebenenfalls gefilterte Ausgangsspannung U_a bzw. U_a′ des Aufwärtswandlers 3 wird innerhalb des Regelglieds 13 über einen Widerstand 39 dem negativen Eingang eines Opera tionsverstärkers 40 zugeführt, wobei der negative Eingang des Operationsverstärkers 40 über einen weiteren Widerstand 41 auf Masse gelegt ist.

An den positiven Eingang des Operationsverstärkers 40 ist der auf die Ausgangsspannung des Aufwärtswandlers 3 bezogene Sollwert U_a/soll angelegt. Der Ausgang des Operationsverstär kers 40 ist über die Parallelschaltung eines Widerstands 42 und eines Kondensators 43 auf dessen negativen Eingang rück gekoppelt.

Weiterhin ist der Ausgang des Operationsverstärkers 40 mit einem Eingang des Multiplizierers 16 verbunden.

Ein die Netzstromaufnahme I_ist repräsentierendes Signal 44 wird über einen Verstärker 45 an den positiven Eingang eines Operationsverstärkers 46 angelegt, dessen negativer Eingang mit dem Ausgangssignal des Multiplizierers 16 beaufschlagt ist.

Der Ausgang des Operationsverstärkers 46 ist mit dem R-Ein gang eines RS-Flip-Flops 47 verbunden, an dessen S-Eingang ein Taktsignal konstanter Frequenz angelegt ist, wobei die Frequenz dieses Taktsignals deutlich höher als die Netzfre quenz gewählt ist, insbesondere liegt die Frequenz dieses Taktsignals ungefähr um den Faktor 1000 über der Netzfre quenz. Das RS-Flip-Flop 47 bildet in der in Fig. 7 darge stellten Schaltung die bereits erwähnte Pulsweitenmodula tionstreiberstufe.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 38, welcher die Eingangs spannung U_e des Aufwärtswandlers verstärkt, wird über ein Tiefpaßfilter 48 einem Komparator 49 zugeführt, welcher einen Vergleich mit einer Referenzspannung U_ref vornimmt und gegebenenfalls ein entsprechendes Überspannungssignal an sei nem Ausgang erzeugt.

In entsprechender Weise ist das die Netzstromaufnahme reprä sentierende Signal 44 über den Verstärker 45 einem weiteren Komparator 50 zugeführt, in welchem dieses Signal mit einem Referenzstromwert I_ref verglichen wird. Die Ausgangssignale der beiden Komparatoren 49, 50 werden einer Summierstufe 51 zugeführt, deren Ausgangssignal im Falle des Auftretens einer Überspannung bzw. eines Überstroms das RS-Flip-Flop 47 entsprechend beaufschlagt und zum Abschalten veranlaßt.

Die Eingangsspannung U_e des Aufwärtswandlers 3 wird entspre chend der zweiten Lösungsvariante der Erfindung über einen Bypass 52 dem Multiplizierer 16 zugeführt.

Der Bypass 52 weist dabei einen Verstärker 53 und einen nach geschalteten Multiplizierer 54 auf, welcher das verstärkte Eingangssignal U_e mit sich selbst multipliziert und auf die se Weise das Quadrat des Eingangssignals bildet.

Das Ausgangssignal des Multiplizierers 54 wird dann einem Kehrwertbilder 55 zugeführt, dessen Ausgangssignal das Aus gangssignal des Bypass 52 bildet und an den Multiplizierer 16 angelegt ist.

Durch die beschriebene Bypass-Schaltung wird die vorstehend erwähnte unerwünschte Verzögerungszeit eliminiert und gewähr leistet, daß der Operationsverstärker 46 nur noch die Lei stungsänderungen am Ausgang des Aufwärtswandlers 3 ausregelt und nicht mehr auf unerwünschte Weise auf Änderungen der Ein gangsspannung U_e des Aufwärtswandlers 3 reagiert.

Bezugszeichenliste

1 Doppelweg-Gleichrichter
2 Eingangsklemmen
3 Aufwärtswandler
4 kapazitiver Stützkreis
5 Eingangsklemme
6 Eingangsklemme
7 Ausgangsklemme
8 Ausgangsklemme
9 Drossel
10 Diode
11 elektronischer Schalter
12 Taktsignal
13 Regelglied
14 erster Regelverstärker
15 zweiter Regelverstärker
16 Multiplizierer
17 Pulsweitenmodulationstreiberstufe
18 Filterbaustein
19 Widerstand
20 Operationsverstärker
21 regelbarer Widerstand
22 Widerstand
23 Widerstand
24 Operationsverstärker
25 Kondensator
26 Dioden
27 Kondensator
28 elektronischer Schalter
29 Gleichrichterdioden
30 Stromwandler
31 Leistungsgleichrichter
32 Gleichrichterdiode
33 Entmagnetisierungsdiode
34 Glättungsdrossel
35 Schweißstromkreis
36 Elektrodenhalter
37 Werkstück
38 Verstärker
39 Widerstand
40 Operationsverstärker
41 Widerstand
42 Widerstand
43 Kondensator
44 Signal
45 Verstärker
46 Operationsverstärker
47 RS-Flip-Flop
48 Tiefpaß-Filter
49 Komparator
50 Komparator
51 Summierstufe
52 Bypass
53 Verstärker
54 Multiplizierer
55 Kehrwertbilder

Claims

1. Gleichrichter-Netzteil, insbesondere für Schweiß- oder Plasma-Schneidgeräte, mit einem an ein Wechselspannungs netz anschließbaren Doppelweg-Gleichrichter (1), welchem ein kapazitiver Stützkreis (4) und ein den zeitlichen Verlauf der Netzstromaufnahme (I_ist) an den Netzspan nungsverlauf anpassender Aufwärtswandler (3) nachgeord net sind, wobei der Aufwärtswandler (3) von einem Regel glied (13) angesteuert ist, dem als Eingangsgrößen die zeitlichen Verläufe der Netzstromaufnahme (I_ist) der Eingangs- (U_e) und der Ausgangsspannung (U_a) des Auf wärtswandlers (3) sowie insbesondere ein auf die Aus gangsspannung (U_a) des Aufwärtswandlers bezogener Soll wert (U_a/soll) zugeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Ausgangsspannung des Aufwärtswandlers (U_a) gebildete Eingangsgröße des Regelgliedes (13) die sem über einen bandbegrenzenden und eine vom kapazitiven Stützkreis (4) erzeugte Wechselspannungskomponente dämpfenden Filterbaustein (18) zugeführt ist.

2. Gleichrichter-Netzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Filterbaustein (18) als Tiefpaß ausgeführt ist.

3. Gleichrichter-Netzteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfrequenz des Filterbausteins (18) so ge wählt ist, daß die doppelte Netzfrequenz im Dämpfungs bereich liegt.

4. Gleichrichter-Netzteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfrequenz des Filterbausteins (18) in Abhän gigkeit von der Netzfrequenz einstellbar ist.

5. Gleichrichter-Netzteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mit zwei Eingangs- (5, 6) und zwei Ausgangsklem men (7, 8) versehene Aufwärtswandler (3) zwischen der ersten Eingangs- (5) und der ersten Ausgangsklemme (7) eine Reihenschaltung aus einer Drossel (9) und einer Dio de (10) aufweist, wobei der Verbindungspunkt von Drossel (9) und Diode (10) über einen elektronischen Schalter (11) mit der zweiten Eingangs- (6) und der zweiten Aus gangsklemme (8) verbunden sind.

6. Gleichrichter-Netzteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelglied (13) einen ersten (14, 51) und einen zweiten (15, 46) vergleichenden Regelverstärker, einen Multiplizierer (16) und eine einen elektronischen Schal ter (11) des Aufwärtswandlers (3) ansteuernde Pulsweiten modulationstreiberstufe (17, 47) aufweist.

7. Gleichrichter-Netzteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Regelverstärker (14, 51) mit der Ausgangsspannung (U_a) des Aufwärtswandlers (3) und dem auf diese bezogenen Sollwert (U_a/soll) beaufschlagt ist.

8. Gleichrichter-Netzteil nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Multiplizierer (16) mit dem Ausgangssignal (U_R1) des ersten Regelverstärkers (14, 51) und dem Betrag der Eingangsspannung (U_e) des Aufwärtswandlers (3) beaufschlagt ist.

9. Gleichrichter-Netzteil nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Regelverstärker (15, 46) mit dem Ausgangs signal des Multiplizierers (16) und einem den zeitlichen Verlauf der Netzstromaufnahme (I_ist) repräsentierenden Signal (44) beaufschlagt ist.

10. Gleichrichter-Netzteil nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ein Taktsignal (12) für den elektronischen Schal ter (11) des Aufwärtswandlers (3) generierende Pulswei tenmodulationstreiberstufe (17, 47) mit dem Ausgangs signal des zweiten Regelverstärkers (15, 46) beauf schlagt ist.

11. Gleichrichter-Netzteil nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelglied (13), insbesondere die Pulsweitenmo dulationstreiberstufe (17, 47) eine Überstrom- und/oder Überspannungsabschaltung aufweist.

12. Gleichrichter-Netzteil nach dem Oberbegriff des An spruchs 1, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einer Komponente (46) des Regelglieds (13) anstelle der durch die Eingangsspannung (U_e) des Aufwärtswandlers (3) gebildeten Eingangsgröße die mit dem Quadrat ihres Kehrwerts multiplizierte Eingangsspannung (U_e) des Auf wärtswandlers (3) im wesentlichen unverzögert zugeführt ist.

13. Gleichrichter-Netzteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspannung (U_e) des Aufwärtswandlers (3) den beiden Eingängen eines Multiplizierers (54), dessen Ausgangssignal einem Kehrwertbilder (55) und dessen Aus gangssignal wiederum dem im Regelglied (13) enthaltenen Multiplizierer (16) zugeführt ist, der zudem mit dem Be trag der Eingangsspannung (U_e) des Aufwärtswandler (3) und dem Ausgangssignal (U_R1) des ersten Regelverstärkers (14, 51) beaufschlagt ist.

14. Gleichrichter-Netzteil nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der an seinen beiden Eingängen mit der Eingangsspan nung (U_e) des Aufwärtswandlers (3) beaufschlagte Multi plizierer (54) und der Kehrwertbilder (55) eine vernach lässigbar kurze Verzögerungszeit aufweisen.