DE2246258B2 - Schaltungsanordnung zur Gleichstromspeisung eines mit einer Freilaufdiode beschalteten Verbrauchers - Google Patents

Description

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs beschriebene Schaltungsanordnung dahingehend zu verbessern, daß die Spannung am Kommutierungskondensator auf einem möglichst konstanten Wert gehalten wird, wodurch ein unterbrechungsfreier Betrieb einer Gleichstromstellerschaltung auch bei stark schwankender Versorgungsspannung möglich ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1.

Die Spannung des iCommutierungskondensators wird über die Höhe des Magnetisierungsstromes in der Hilfsdrossel oder im Transformator auf eine konstante Höhe geregelt, indem Impulsdauer und Impulspausen des Stellers verändert werden. Die Magnetisierungsenergie wird also im Gegensatz zur aus der obenge- nannten DE-Zeitschrift »Elektronik« bekannten Schaltungsanordnung nicht in Verluste umgesetzt, sondern zur Aufladung des Kommutierungskondensators genutzt. Gleiches gut im Vergleich mit dem aus der DD-PS 68 553 bekannten Freiiaufkreis. Gleichzeitig wird aber eine unerwünschte schrittweise Aufmagnetisierung der Hilfsdrossel bzw. des Transformators bis zur Sättigung vermieden, was bei der Schaltung gemäß der GB-PS 9 91 701 nicht auszuschließen ist.

Da für diese Regelung der Kondensatorspannung die Größe der Einschaltdauer des Stellers benutzt wird, muß für die Regelung der Ausgangsspannung die Taktfrequenz verändert werden. Im Gegensatz dazu wird bei der Schaltungsanordnung (»Elektronik« s. o.) die Taktfrequenz konstant gehalten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen r.iiher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung mit paralleler Hilfsdrossel. J5

Fig. 2 Strom- und Spannungsverläufe für das Ausführungsbeispiel nach Fig. I und

Fig. 3 ein Ausführungsbcispicl. bei dem anstelle der Hilfsdrossei ein ausgangsseitig des Gleichstromstellers parallel angeschlossener Transformators vorgesehen ist.

In F i g. 1 liegt an Klemmen 1 und 2 die Versorgungsgleichspannung U_c an, die stark schwankende Werte aufweisen kann. Zwischen den Klemmen 1 und 2 ist ein Widerstand R angeordnet, der den Gleichspannungswert in ein Steuergerät 3 leitet, dessen erster Ausgang 3.7 mit der Zündelektrode eines Laststromventils 5Tund dessen zweiter Ausgang 36 mit der Zündelektrode 36 eines Kommutierungsventils 4 verbunden ist. Die Klemme 1 ist ferner mit dem Laststromventil ST und über einen Kommutierungskondensator Ck mit einer Reihenschaltung aus einer Umschwingungsdrossel /. und einer Diodr D, die dem steuerbaren Kommutierungsventil 4 antiparallel geschaltet ist, verbunden. Zwischen Ausgängen 5 und 6 des Gleichstromstellers ist « eine Hilfsdrossel L 1 angeordnet, der ein Verbraucher L 2. beispielsweise die Feldspule oder Ankerspule, eines Elektromotors, über eine Diode Dl parallclgeschaltet ist, wobei zum Verbraucher L 2 eine Freilaufdiode D2 parallelgeschaltet ist.

Zwischen Ausgang des Gleichstromstellers und Eingang der Hilfsdrossel L 1 ist eine Diode 8 geschaltet. Wie aus der Zeitschrift »Brown Boveri Mitteilungen« 1970, S. 252 bis 271, insbesondere Bild 5 auf S. 256 in Verbindung mit dem Text auf S. 258, rechte Spalte, Z. 22 bis 27 bekannt ist, riegelt diese Diode die in Form der Versorgungsspannung U_e an den Klemmen 1 und 2 anliegende Gegenspannung ab und verhindert, daß die im Korrmutierungskondensator Ck gespeicherte Ladung über den Umladekreis L, D abfließt.

Nachfolgend wird die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung beschrieben:

Das Steuergerät 3 beeinflußt das Laststromventil ST und das Kommutierungsventil 4 so, daß die während der Einschaltdauer des Laststromventils ST in der Hilfsdrossel L1 gespeicherte Energie ausreicht, den Kommutierungskondensator Ck nach Zünden des Kommutierungsventils 4 auf seine Nennspannung aufzuladen. Damit diese Energieübertragung erfolgen kann, darf der Hilfsdrossel L1 keine Freilaufdiode parallelgeschaltet sein.

Die Vorgänge Energiespeicherung und Energieübergabe werden anhand der Fig.2a und 2b näher beschrieben. Fig.2a zeigt die Verhältnisse bei niedriger, F i g. 2b bei hoher Versorgungsspannung Uc- Zum Zeitpunkt fi wird das Laststromventil ST gezündet. Damit liegt an der Hilfsdrossel / >> die Versorgungsgieichspannung U_c an. Der durch oie Hiifsdrossei L ί fließende Strom iL 1 hat die Steigung diL \ldt = Ue/ L1. Zum gleichen Zeitpunkt beginnt auch die Umschwingung des Kommutierungskondensators Ck über las Laststromventil ST, die Umschwingdiode D und die Umschwingdrossel L Zum Zeitpunkt /2 hat das Steuergerät 3 erfaßt, daß die in der Hilfsdrossel L 1 gespeicherte Energie ausreicht, um den Kommutierungskondensator Ck auf seine Nennspannung aufzuladen und zündet das Kommutierungsventil 4. Das Laststromventil STsperrt, und der Kommutierungskondensator Ck wird vom Laststrom und dem Strom der Hilfsdrossel L 1 umgeladen, bis er zum Zeitpunkt f 3 in umgekehrter Polarität auf den Wert der Eingangsspannung Ue aufgeladen ist. Zu diesem Zeitpunkt 13 ist die Ausgangsspannung Ua zu Null geworden, der Laststrom wird durch Leitendwerden der Diode D2 und Sperren der Diode Dl vom Stelkr entkoppeln Der in der Hilfsdrossel L 1 eingeprägte Strom iL 1 lädt nun den Kondensator Ck weiter um, bis seine Spannung Uck zt.iti Zeitpunkt 14 den vom Steuergerät 3 vorausberechneten Ausgangszustand von 11 wieder erreich; hat. Der Strom iL 1 ist dabei von seinem Maximalwert auf Null abgeklungen. Das Kommutierungsventil 4 sperrt wieder. Obige Vorgänge wiederholen sich ab dem Zeitpunkt t'\.

Bei hoher Versorgungsspannung LZc(Fi g. 2b) ist der Anteil der Kondensatorspannung Uck, der von der Hilfsdrossel L1 aufgeprägt werden muß. geringer. Entsprechend muß auf die Einschaltdauci (1 2- ί 1) des Laststromventils STverkürzt werden.

Anstelle der Hilfsdrossel L1 kann zwischen den Auy^ngsklemmen 5 und 6 ein Transformator Tv vorgesehen sein, der über eine Diode D3 und eine Glättungsdrossel '- 3 einen Verbraucher, in diesem Falle eine Batterie B, speist (Fig. 3). Die Kauptinduktivität des Transformators Tv übernimmt dann die Rolle der Induktivität der Hilfsdrossel LX gemäß Fig. I. Der Glättungsdrosse! L 3 und der Batterie B ist eine Freilaufdiode D4 parallel geschaltet.

Zwischen den Ausgangsklemmen 5 un'i 6 des Gleichstromstellers kann noch eine Regelvorrichtung vorgesehen werden, die die mittlere Verbrauchergleichspannung Uam auf einen vorgebbaren Wert einregelt, indem sie die Zeitcijuer zwischen zwei Zündungen des Laststromventils 57 und damit die Pulsfrequenz des Stellers variiert.

Der mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erzielte Vorteil besteht im wesentlichen darin, daß

die Spannung am Kommutierungskondensator Ck und damit der Kommutierungsstrom für das Laststromventil ST bei unterschiedlichen Werten der Vorsorgungsgleichspannung /7eam Eingang des Gleichstromstellers immer auf den für die Löschung des Laststromventils ST gewünschten Wert eingestellt werden kann. Bei kleiner Versorgungsgleichspannung Ue wird die Spannungszeitfläche der Hilfsdrossel L i bzw. des Transformators 7V vergrößert, um den Kommutierungskondensator Ck über den bei bekannten Stellern üblichen Wert der Versorgungsspannung Ue hinaus aufladen zu können. Bei großer Versorgungsspannung Ue wird diese Spannungszeitfläche verkleinert. Aus den Fig. 2a und 2b ist dementsprechend zu entnehmen, daß die Einschaltdauer stärker als umgekehrt proportional zur Höhe der Versorgungsgleichspannung Uc verändert wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Schaltungsanordnung zur Gleichstromspeisung eines mit einer Freilaufdiode beschalteten Verbrauchers, mit einem Gleichstromsteller, der ein steuerbares Laststromventil enthält, welchem die Reihenschaltung eines Kommutierungskondensators und eine steuerbaren Kommutienir.gsventils parallel geschaltet ist, wobei zu letzterem eine Reihenschaltung aus einer Umschwingdrossel und einer Umschwingdiode antiparallel liegt, und mit einer ausgangsseitig des Gleichstromsteller liegenden, in Richtung des Laststromes gepolten Diode sowie mit daran parallel angeschlossener Hilfsdrossel oder mit einem ausgangsseitig des Gleichstromstellers parallel angeschlossenen Transformator, wobei die Parallelschaltung aus dem Verbraucher und der Freilaufdiode über eine weitere Diode an den Ausgang des Gleichstromstellers bzw. an die Sekundärwicklung des Transformators angeschlossen ist, und die Hilfsdrossel bzw. die Primärwicklung des Transformators (Tr) den einzigen Querzweig zwischen dem Gleichstromsteller und dem vorgenannten Verbraucherkreis bilden und mit einer Steuereinrichtung für den Gleichstromsteller, die durch Steuern des Abstandes zwischen den Zündzeitpunkten des Laststromventils in Abhängigkeit von einem Regelsignal die Verbraucherspannung auf einen gewünschten Wert einstellt und die außerdem von der Ver-orgungsspannung des Gleichstromstellers beeinflußt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (3) derart ausgebildet ist. daß das Kommutierungsventil in Abhängigkeit von der Höhe der Versorgungsspannung (Ue) des Gleichstromstellers jeweils zu einem Zeitpunkt gezündet wird, in dem der Magnetisierungsstrom der Hilfsdrossel (Ll)bzw. der Primärwicklung des Transformators (Tv)so groß ist. daß anschließend der Kommutierungskondensator (Ck) vom Entmagnetisierungsstrom jeweils auf eine gewünschte, unabhängig von Änderungen der Versorgungsspannurig (Uc) konstante Spannung aufgeladen wird.

   Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruches I beschriebenen Gattung.

   Eine solche aus der GB-PS 9 91701 bekannte Schaltungsanordnung umfaßt wie die erstgenannte einen Transformator /wischen dem Ausgang des Gleichstromstellers und dem Verbraucherkreis. Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung wird die Verbraucherspannung gemessen und auch bei wechselnder Eingangsspannung auf eine konstanten Wert geregelt. Zu diesem Zweck wird der Hauptthyristor für eine konstante Zeitspanne ein- und für eine variable Zeitspanne ausgeschaltet. Bei der bekannten Schaltungsanordnung ist ferner eine Einrichtung vorgesehen, die die Versorgungsspannung übet wacht. Sobald die Versorgungsspannung den eingestellten Toleranzbereich über- oder unterschreitet, werden die Zündimpulse für die Thyristoren gesperrt. Ein tatsächlicher Betrieb erfolgt auch hier also nur bei einer genügend hohen Versorgungsspannung.

   Bei der bekannten Schaltungsanordnung entmagnetisiert sich der Transformator über den Kommutierungskondensator. Weiterhin handelt es sich bei dem bekannten Gleichstromsteller um eine sperrspannungsfreie Schaltung, bei der zur Strombegrenzung zwingend eine Drossel in Serie zum Löschkondensator liegen muß, wodurch eine nachteilige, laststronr-bhängige Oberladung des Kommutierungskondensator herbeigeführt wird Eine Regelung der Spannung des Kommutierungskondensators auf einen von der Versorgungsspannung unabhängigen Wert erfolgt nicht

   Bei einer weiteren bekannten Schaltungsanordnung speist der Gleichstromsteller den mit der Freilaufdiode beschalteten Verbraucher über einen Transformator (DE-Zeitschrift »Elektronik« 1970, H. 3, S. 102/103). Da die Auslegung des Kommutierungskondensators von der Höhe der Versorgungsspannung abhängt, ergeben sich, zunächst für Kommutierungsschaltungen allgemein betrachtet, Schwierigkeiten, wenn die Versorgungsgleichspannung am Eingang des Gleichstromstellers keinen konstanten Wert, sondern zeitweilig auch einen höheren oder tieferen Wert als die Normalspannung aufweist, für welche der Kommutierungskondensator ausgelegt ist. Falls die Spannung am Kommutierungskondensator sehr hoch ist, werden das zu löschende steuerbare Laststromventil und das Kommutierungsventil durch den hohen Lösch- und Umladestrom thermisch beansprucht; ferner müssen alle Bauelemente für die höchste vorkommende Spannung ausgelegt sein. Bei niedriger Spannung am Kommutierungskondensator besteht die Gefahr, daß der Löschstrom zu gering ausfällt und das Laststromventil nicht gelöscht wird. — Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung ist für letzteren Fall eine Überwachung der Versorgungsspannung derart vorgesehen, daß Zündimpulse für das Laststromventil nur freigegeben werden, wenn durch eine genügend hche Versorgungsspannung auch eine für das Löschen des niaximal möglichen Laststromes ausreichende Spannung am Kommutierungskondensator zur Verfügung steht, ansonsten sperrt die Überwachung die Impulse für das Laslstromventil und führt den Regler für die Verbraucherspannung nach Null zurück. Ein tatsächlicher Betrieb erfolgt nur bei einer genügend hohen Versorgungsspannung. —

   «5 Im Normalbetrieb wird der Kommutierungskondensator während der Strompausen des Laststromvcntils auf diese Versorgungsspannung aufgeladen, mit dem Nachteil, daß mit schwankender Versorgungsspannung auch die Kondensatorspannung mitschwankt. In diesen

   ίο Sirompausen crfolgl auch eine Rückmagnetisicrung des Transformators über eine parallel zu seiner Primärwicklung vorgesehene Reihenschaltung aus einer Diode und der Parallelschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators. Die Magnetisierungsenergie wird in

   « dieser Beschallung in Verluste umgesetzt.

   Bei einer weiterhin bekannten Schaltungsanordnung tritt der erstgenannte Nachteil nicht auf; vielmehr wird der Kommutierungskondensator auf eine gewünschte, unabhängig von Änderungen der Versorgungsspannung konstante Spannung aufgeladen, indem ein steuerbares Freilaufventil in einem Querzweig zwischen dem Gleichstromsteller und dem Verbraucher vorgesehen ist, das durchschaltet, sobald die Kondensatorspannung die Versorgungsspannung überschreitet (DD-PS 68 553).

   Zur Konstanthaltung der Kondensatorspannung sind neben dem zusätzlichen steuerbaren Freilaufventil seine Beschattung und Zündelektronik notwendig.