DE19741430A1 - Schaltungsanordnung und Verfahren zur Unterdrückung störender Rückwirkungen eines Umrichters - Google Patents

Description

Geregelte Stromversorgungseinheiten neigen zu Schwingungen. Dies hat seine Ursache darin, daß eine den Zusammenhang zwi­ schen Eingangsspannung und Eingangsstrom wiedergebende Kenn­ linie des Schaltungsteils, in welchem die Regelung stattfin­ det, bereichsweise eine negative Steigung aufweist. Zur Ver­ anschaulichung dieses Phänomens sei ein verlustfreier oder verlustarmer Umrichter betrachtet: Wenn die Ausgangsspannung bei gegebenem Lastwiderstand auf einen Sollwert geregelt wird, der Lastwiderstand also eine von einer Eingangsspannung unabhängige konstante Leistung aufnimmt, ist das Produkt der Eingangsspannung und dem Eingangsstrom des geregelten Schal­ tungsteils dieser Leistung proportional, also ebenfalls eine Konstante. Das hat zur Folge, daß der Eingangsstrom mit zu­ nehmender Spannung kleiner wird und umgekehrt, daß der diffe­ rentielle Eingangswiderstand des geregelten Schaltungsteils bereichsweise negativ ist. In demjenigen Bereich der Ein­ gangsspannung, in dem die von diesem Schaltungsteil aufgenom­ mene Leistung im wesentlichen konstant ist, hat die Strom- Spannungskennlinie hyperbolischen Verlauf, so daß der der Steigung dieser Kennlinie entsprechende negative differen­ zielle Eingangswiderstand am kleinsten ist, wenn die Ein­ gangsspannung den kleinsten Wert hat, bei dem eine ein­ wandfreie Regelung des Stromversorgungsgerätes noch möglich ist.

Geregelte Stromversorgungseinheiten der in Frage stehenden Art besitzen als Eingangskreis eine Siebschaltung zur Un­ terdrückung störender Rückwirkungen auf das speisende Netz. Dieser Eingangskreis besteht aus wenigstens einer Längsinduk­ tivität und wenigstens einer Querkapazität. Diese beiden Schaltungselemente, deren Größen durch eine Forderung nach einer ausreichenden Siebwirkung bestimmt sind, stellen ein schwingungsfähiges Gebilde dar, das im Zusammenhang mit dem erwähnten negativen Eingangswiderstand des geregelten Schal­ tungsteils zu selbständigen Schwingungen angeregt werden kann. Eine Untersuchung der Stabilitätsbedingungen zeigt, daß Schwingungen dann auftreten können, wenn der Quotient aus dem Wert der Induktivität und dem Produkt von Kapazität und der Summe der beteiligten ohmschen Widerstände sowie einem Innen­ widerstand einer Spannungsquelle und dem Reihenersatzwider­ stand der Kapazität größer ist als der Betrag des negativen Eingangswiderstandes des geregelten Schaltungsteils. Diese Bedingung gilt mit guter Annäherung dann, wenn das Produkt aus den genannten ohmschen Widerständen klein ist im Vergleich zu dem Quotienten aus der Induktivität der Längsinduktivität und der Kapazität der Querkapazität. Das bedeutet umgekehrt, daß ein stabiler Betrieb gewährleistet ist, wenn die Summe der genannten ohmschen Widerstände größer ist als der Quoti­ ent aus Induktivität und dem Produkt von Kapazität und Betrag des negativen Eingangswiderstandes. Für letzteren ist der im praktischen Betrieb mögliche Minimalwert einzusetzen, der dem Quotienten aus kleinstmöglicher Eingangsspannung und größtmög­ lichem Eingangsstrom entspricht. Diese Beziehung legt es na­ he, das Problem der Beseitigung unerwünschter Schwingungen dadurch zu lösen, daß die Kapazität der Siebschaltung und/­ oder des in Reihe wirksamen ohmschen Widerstandes vergrößert wird. Durch diese Maßnahme wird der mit der Siebschaltung ge­ bildete Parallelkreis derart verstimmt und/oder gedämpft, daß die erwähnte Stabilitätsbedingung erfüllt ist.

Die Vergrößerung der wirksamen Kapazität kann vorzugsweise dadurch erreicht werden, daß dem vorhandenen hochwertigen Im­ pulsspeicherkondensator der Siebschaltung ein Elektro­ lytkondensator hoher Kapazität parallel geschaltet wird. Für moderne Stromversorgungsgeräte mit Umrichtern sehr hoher Lei­ stung sind die beschriebenen Maßnahmen zur Beseitigung der Schwingung jedoch ungeeignet, da eine zusätzliche Kapazität aufgrund von einem fehlenden freien Platz auf einer Stromver­ sorgungsplatine nicht angeordnet werden kann.

Die Vergrößerung eines in Reihe zur Querkapazität wirksamen Widerstandes ist bei Hochleistungsumrichtern zwar grundsätz­ lich anwendbar, führt jedoch zu einer unannehmbar hohen Ver­ lustleistung in diesem Widerstand. Eine hohe Verlustleistung bringt einerseits das Problem mit sich, die in relativ klei­ nem Volumen entstehende Verlustwärme zu beseitigen, anderer­ seits verschlechtert sie den Wirkungsgrad nicht unerheblich, womit ein wichtiger Vorteil moderner Umrichter- Schaltungstechnik zunichte gemacht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungs­ anordnung und ein Verfahren anzugeben, mit denen Schwingungen von einem geregelten Umrichter oder vom Eingangskreis vermie­ den werden.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 und 10 gelöst.

Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß ein ohmscher Widerstand in Serie zur Filterinduktivität der Siebschaltung vermieden wird.

Die Erfindung bringt den weiteren Vorteil mit sich, daß nur ein geringer Platzbedarf zur Unterbringung zusätzlicher Schaltungskomponenten benötigt wird.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Weitere Besonderheiten der Erfindung werden aus der nach­ folgenden, näheren Erläuterung eines Ausführungsbeispiels an­ hand von Zeichnungen ersichtlich.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur aktiven Kompensation eines negativen differen­ tiellen Eingangswiderstandes bei Gleichspan­ nungs/Gleichspannungs-Umrichtern und

Fig. 2 einen Stromlaufplan einer Schaltungsausgestaltung dieses Blockschaltbildes.

Das in Fig. 1 gezeigte Blockschaltbild besteht im Wesent­ lichen aus einem Eingangsfilter E, einem Umrichter U und ei­ ner zwischen den genannten Komponenten angeordneten Schal­ tungseinheit QS zur aktiven Kompensation eines negativen dif­ ferentiellen Eingangswiderstandes des Umrichters U. Die akti­ ve Kompensation findet in der Schaltungsanordnung in der Art und Weise statt, daß ein in den Umrichter U fließender Strom überwacht wird und ein überhöhter Stromanteil über eine Senke, die durch ein Massepotential M gebildet wird, abgeleitet und ein zu niedriger Strom in den Umrichter U aus einer Quelle, die nachfolgend als Hilfsspan­ nungsquelle UH bezeichnet ist, ergänzt wird. Ausgehend vom Eingangsfilter E ist die Schaltungsanordnung QS zwischen ei­ ner Auskoppeleinheit AK und einer Einkoppeleinheit EK ange­ ordnet. Die Eingänge des Eingangsfilters E sind mit einer Spannungsquelle UE verbunden. Am Ausgang des Unmrichters U liegt eine Ausgangsspannung UA an.

In Fig. 2 ist ein Stromlaufplan des in Fig. 1 dargestellten Blockschaltbildes wiedergegeben. Das Eingangsfilter E ist aus einer Längsinduktivität LF und einer zwischen den Ausgängen A1, A2 des Eingangsfilters E angeordneten Querkapazität CF gebildet. Die Ausgänge A1, A2 des Eingangsfilters E sind mit den Eingängen E1, E2 eines als getakteter Gleichspannungs-/Gleich­ spannungs (DC/DC)-Umrichter ausgebildeten Umrichters U verbunden. Parallel zu den Ausgängen A1, A2 des Eingangsfil­ ters E ist eine aus einer Reihenschaltung gebildete Auskop­ peleinheit AK, bestehend aus einem Auskoppelkondensator CK1 und einem ersten Widerstand R1 angeordnet. Die mit QS be­ zeichnete Schaltungseinheit ist in eine Entscheidereinheit QSE, eine Verstärkereinheit VQS und eine Frequenzgangkorrek­ tureinheit FK untergliedert.

Ein erster Eingang eines Operationsverstärkers V1 zur Ver­ stärkung und Phasenumkehr der Spannungs/Stromwandlung in der Entscheidereinheit QSE ist mit einem Verbindungspunkt, der zwischen dem Auskoppelkondensator CK1 und dem ersten Wider­ stand R1 angeordnet ist, verbunden. An einem zweiten Eingang des Operationsverstärkers V1 ist eine Referenzspannungsquelle UREF angeordnet, deren Ausgang mit einem Massepotential M entsprechenden Spannungspotential verbunden ist. Ein Ausgang des Operationsverstärkers V1 ist über einen dritten Wider­ stand R3, einem Dämpfungswiderstand RD, einem Einkoppelkon­ densator CK2 mit dem ersten Eingang E1 des Umrichters U ver­ bunden. Der Einkoppelkondensator CK2 dient zur Einkopplung einer Stromeinspeisung IZ oder eines Stromabzugs IK aus bzw. in den in den Umrichter U fließenden Strom IE. Am Ausgang des Operationsverstärkers V1 wird je nach Höhe des am ersten Ein­ gang des Operationsverstärkers V1 anliegenden Spannungspoten­ tials eine Quelle, gebildet durch eine Hilfsspannungsquelle UH oder eine Senke, gebildet durch das dem Massepotential M entsprechenden Spannungspotential, an den Ausgang angelegt. Der erste Ausgang A1 des Eingangsfilters E ist mit dem ersten Eingang des Umrichters U verbunden, der zweite Ausgang A2 des Eingangsfilters E ist mit einem zweiten Eingang E2 des Um­ richters U verbunden.

Der erste Eingang des Operationsverstärkers V1 ist über die Frequenzgangkorrektureinheit FK, gebildet aus einer Parallel­ schaltung mit einem Kondensator C2 und einem zweiten Wider­ stand R2 mit einem Abgriffspunkt AP zwischen dem dritten Wi­ derstand R3 und dem Dämpfungswiderstand RD verbunden. Am Ope­ rationsverstärker V1 liegt ausgangsseitig je nach Eingangspo­ tential am ersten Eingang zum einen das Massepotential M und zum anderen das Spannungspotential der Hilfsspannungsquelle UH an. Der Ausgang des Operationsverstärkers V1 ist mit einem Steuereingang B1 eines ersten Schaltelementes T1 und mit ei­ nem Steuereingang B2 eines zweiten Schaltelementes T2 verbun­ den. Der Eingang EM1 der Regelstrecke EM1, C1 des ersten Schaltelementes T1 und der Eingang EM2 der Regelstrecke EM2, C2 des zweiten Schaltelementes T2 ist mit dem Abgriffspunkt AP zwischen dem dritten Widerstand R3 und dem Dämpfungswider­ stand RD verbunden. Der Ausgang C1 der Regelstrecke EM1, C1 des ersten Schaltelementes T1 ist mit der Hilfsspannungsquel­ le UH verbunden. Der Ausgang der Regelstrecke EM2, C2 des zweiten Schaltelementes T2 ist mit dem Massepotential M, das an der Verbindungsleitung zwischen dem zweiten Ausgang A2 des Eingangsfilters E und dem zweiten Eingang E2 des Umrichters anliegt, verbunden.

Mit der dargestellten Realisierung wird bei Aufkommen einer Schwingung im Eingangsfilter E oder im Umrichter U entgegen­ gewirkt. Steigt an der Querkapazität CF die Spannung infolge eines in der Längsinduktivität LF eingeprägten überschüssigen Stromanteils IE, so wird ein dadurch hervorgerufener Span­ nungsanstieg an der Querkapazität CF über den Auskoppelkon­ densator CK1 am ersten Eingang des Operationsverstärkers V1 weitergeleitet. Durch einen Spannungsvergleich mit der am zweiten Eingang des Operationsverstärkers V1 anliegenden Re­ ferenzspannung UREF wird am Ausgang des Operationsverstärkers V1 das Massepotential M angelegt. Durch das Anlegen des Mas­ sepotentials M am Ausgang des Operationsverstärkers V1 wird ein Teil des Stromes, der mit IK bezeichnet ist, über den Einkoppelkondensator CK2, dem Dämpfungswiderstand RD und dem dritten Widerstand R3, an dem in dieser Schaltungsphase das Massepotential M anliegt, abgeleitet. Überschreitet der abge­ leitete Stromanteil IK einen vorbestimmten Wert, so wird, be­ dingt durch den Stromfluß über den dritten Widerstand R3, der Steuereingang B2 des zweiten Schaltelementes T2 derart ange­ steuert, daß die Regelstrecke EM2, C2 des zweiten Schaltele­ mentes T2 direkt mit dem Massepotential M verbunden ist und der Gesamtwiderstand R3, RD wird um den Widerstandswert des Widerstandes von R3 reduziert. Als Folge der Durchschaltung des zweiten Schaltelementes T2 kann jetzt der überschüssige Stromanteil IK über den Einkoppelkondensator CK2 und den Dämpfungswiderstand RD direkt zum Massepotential M abgeleitet werden. Durch die Ableitung des überschüssigen Stromanteils IK wird vermieden, daß die Spannung am Querkondensator CF im Eingangsfilter E ansteigt. Ein Anstieg der Spannung am Quer­ kondensator CF in dem Eingangsfilter E würde zur Folge haben, daß ein geringerer Strom IU bei konstanter Ausgangsleistung des Umrichters U nötig wird. Bei konstanter Ausgangsleistung des Umrichters U würde das wiederum bedeuten, daß ein erhöh­ ter Stromanteil nötig wäre.

Sinkt die Spannung am Querkondensator CF des Eingangsfilters E infolge eines durch einen in der Längsinduktivität LF ein­ geprägten fehlenden Stromanteils IZ des Stromes IE, so wird diese Verringerung der Spannung über den Auskoppelkondensator CK1 ebenso an den ersten Eingang des Operationsverstärkers V1 weitergeleitet. Durch die am ersten Eingang des Operations­ verstärkers V1 anliegende Spannung wird an den Ausgang des Operationsverstärkers V1 das Spannungspotential der Hilfs­ spannungsquelle UH angelegt. Über die Serienschaltung, gebil­ det aus dem dritten Widerstand R3, dem Dämpfungswiderstand RD und dem Einkoppelkondensator CK2 kann nun der in Strom IE fehlende Stromanteil IZ zusätzlich dem Umrichter U zugeführt werden. Der jetzt in den Umrichter U fließende Strom IU setzt sich aus IE+IZ zusammen. Übersteigt der in den Umrichter U eingespeiste Strom IZ einen vorgegebenen Wert, so wird, be­ dingt durch das am dritten Widerstand R3 anliegende Span­ nungspotential, das erste Schaltelement T1 durchgesteuert. Aufgrund der Durchsteuerung der Regelstrecke EM1, C1 des er­ sten Schaltelementes T1 liegt das Spannungspotential der Hilfsspannungsquelle UH direkt am Dämpfungswiderstand RD und aufgrund des jetzt überbrückten dritten Widerstandes R3 fließt ein höherer zusätzlicher Strom IZ in den Unmrichter U.

Durch diese Schaltungsvariante wird vermieden, daß die Span­ nung am Querkondensator CF im Eingangsfilter E abfällt. Würde die Spannung am Querkondensator CF abfallen, so würde auf­ grund der vom Umrichter U zu liefernden konstanten Ausgangs­ leistung wiederum ein erhöhter Strom IE benötigt.

Claims (11)

1. Schaltungsanordnung zur Unterdrückung störender Rück­ wirkungen eines Umrichters (U), mit einem an den Eingängen des Umrichters (U) angeordneten mit einer Längsinduktivität (LF) und Querkapazität (CF) gebildeten Eingangskreis (E) zur Unterdrückung der störenden Rückwirkungen von dem Umrichter (U) auf eine mit den Eingängen des Eingangskreises (E) ver­ bundenen Spannungsquelle (UE), dadurch gekennzeichnet, daß eine mit einem Abgriffspunkt (A1) zwischen der Längs­ induktivität (LF) und der Querkapazität (QF) verbundene, eine Quelle (UH) oder Spannungssenke (M) mit einem Eingang (E1) des Umrichters (U) verbindende Entscheidereinheit (QSE) vor­ gesehen ist, die den in den Umrichter (U) fließenden Strom (IE) überwacht und einen überhöhten Stromanteil (IK) über die Spannungssenke (M) ableitet oder einen zu geringen Strom durch einen Stromanteil (IZ) aus der Quelle (UH) in den Um­ richter (U) ergänzt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle (UH) eine Spannungsquelle ist.

3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auskoppeleinheit (AK) zwischen dem Abgriffspunkt (A1) und der Entscheidereinheit (QSE) angeordnet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskoppeleinheit (AK) aus einer Serienschaltung aus einer Auskoppelkapazität (CK1) und einem ersten Widerstand (R1) gebildet ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einkoppeleinheit (EK) zwischen einem Ausgang der Entscheidereinheit (QSE) und dem Umrichter (U) angeordnet ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkoppeleinheit (EK) mit einer Serienschaltung aus einem Dämpfungswiderstand (RD) und einer Einkoppelkapazität (CK2) gebildet ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang der Entscheidereinheit (QSE) und der Einkoppeleinheit (EK) eine Verstärkereinheit (VQS) angeordnet ist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Entscheidereinheit (QSE) ein Operationsverstärker (V1) angeordnet ist, dessen erster Eingang mit einem Ab­ griffspunkt (AG) zwischen dem Auskoppelkondensator (CK1) und dem ersten Widerstand (R1) und an dessen zweitem Eingang über eine Referenzspannungsquelle (UREF) ein einem Massepotential (M) entsprechendes Spannungspotential anliegt und daß der Ausgang der Entscheidereinheit (QSE) über einen drit­ ten Widerstand (R3) mit einem Eingang des Einkoppelelementes (EK) verbunden ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuereingang (B1, B2) eines ersten und zweiten Schaltelementes (T1, T2) mit dem Ausgang des Operations­ verstärkers (V1) verbunden ist,
daß ein Eingang (EM1, EM2) der Regelstrecke (EM1, C1; EM2, C2) des ersten und zweiten Schaltelementes (T1, T2) mit dem Eingang des Einkoppelelementes (EK) verbunden ist,
daß ein Ausgang (C1) der Regelstrecke (EM1, C1) des ersten Schaltelementes (T1) mit der Hilfsspannungsquelle (UH) ver­ bunden ist, und
daß an einem Ausgang (C2) des zweiten Schaltelementes (T2) mit dem Massepotential (M) anliegt.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Eingang des Operationsverstärkers (V1) mit ei­ ner Parallelschaltung, bestehend aus einer Kapazität (C2) und einem Widerstand (R2), mit dem Eingang der Einkoppeleinheit (EK) verbunden ist.

11. Verfahren zur Unterdrückung störender Rückwirkungen von einem Umrichter (U), der über einen eine Längsinduktivität (LF) und eine Querkapazität (CF) aufweisenden Eingangskreis (E) mit einer Spannungsquelle (UE) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein in den Umrichter (U) fließender Strom (IE) überwacht und ein überhöhter Stromanteil (IK) über eine Spannungssenke (M) abgeleitet oder ein zu geringer Strom (IE) durch einen Stromanteil (IZ) in den Umrichter (U) aus einer Quelle (UH) ergänzt wird.