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Netztransformatorloses Stromversorgungsgerät Die Erfindung betrifft
ein netztransformatorloses Stromversorgungsgerät mit durch Taktung stabilisierten
Ausgangs..
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spannungen.
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Stromversorgungsgeräte für Gleichstromverbraucher, die eine galvanische
Trennung vom Netz erfordern, sind in verschiedenen Ausführungen üblich. Eine sehr
häufig anzutreffende Ausführung enthält einen die galvanische Trennung zwischen
Netz und Verbraucher besorgenden Netztransformator mit ggf. mehreren Sekundärwicklungen,
Gleichrichter und Regeleinrichtungen zum Konstanthalten der Ausgangsspannungen.
Als Stellglied wird bei diesen Regeleinrichtungen ein Transistor benutzt, der als
steuerbarer Widerstand arbeitet.
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Eine andere Ausführung von Stromversorgungsgeräten ist ähnlich aus
Transformator, Gleichrichter und Regeleinrichtung aufgebaut; lediglich die Arbeitsweise
des als Stellglied benutzten Transistors ist die eines taktenden Schalters.
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Stromversorgungsgeräte, die ohne einen für die Netzfrequenz bemessenen
Transformator arbeiten und die galvanische Trennung mittels eines im Tonfrequenzbereich
arbeitenden Übertragers erreichen, sind ebenfalls bekannt. Bei diesen Geräten
wird
die Netzspannung direkt gleichgerichtet und die daraus resultierende Gleichspannung
mittels eines im Tonfrequenzbereich arbeitenden Umrichters auf das gewünschte Gleichspannungsniveau
gebracht. Die Ausgangsgleichspannung wird' mittels einer Regeleinrichtung konstant
gehalten.
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Bei diesen Ausführungen gibt es Nachteile der verschiedensten Art.
Die mit Netztransformator arbeitenden Geräte haben wegen der im allgemeinen üblichen
niedrigen Netzfrequenz ein großes Leistungsgewicht und müssen eine Umschalteinrichtung
besitzen, wenn sie an Netzen verschiedener Nennspannung betrieben werden sollen.
Außerdem erfordern solche Geräte in leistungsstarker Ausführung bei manchen Anwendungen
Schalldämmungsmaßnahmen. Die bekanntgewordenen netztransformatsrlosen Geräte haben
diese Nachteile nicht, haben aber andere Nachteile, wie z. B. schlechtes dyamisches
Verhalten bei Lastsprüngen und schlechte Ausnutzung von Bauelementen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die zuvor genannten Nachteile
von Stromversorgungsgeräten zu vermeiden und ein Gerät zu entwickeln, das ohne Anwendung
eines für Netzfrequenz ausgelegten Transformators stabilisierte Gleichspannungen
abgeben kann. Trotzdem soll zwischen den netzseitigen Eingangsklemmen und den Ausgangsklemmen
des Gerätes keine galvanische Verbindung bestehen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Netzgleichrichter
und zwei getrennt getaktete Teilgeräte kaskadenartig hintereinandergeschaltet sind,
daß das erste, einen eigenen Regelkreis besitzende Teilgerät die vom Netzgleichrichter
abgegebene Spannung durch Taktung auf eine niedrigere, gegenüber Netzspannungsschwankungen
und Lastschwankungen stabilisierte Zwischenspannung herabsetzt, daß diese stabilisierte
Zwischenspannung einem oder mehreren
Umrichtern des zweiten Teilgerätes
als Eingangsspannung zugeführt ist und daß diese Umrichter eigene Regelkreise zur
Konstanthaltung der Ausgangsspannung besitzen.
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Erfindungsgemäß können dabei der Netzgleichrichter und das erste Teilgerät
zu einem geregelten Halbleitergleichrichter zusammengefaßt sein. Die einzelnen Wechselrichter
der Umrichter des zweiten Teilgerätes weisen getrennte Transformatoren auf. Erfindungsgemäß
können die einzelnen Wechselrichter der Umrichter des zweiten Teilgerätes über durch
die Regelabweichung angesteuerte, galvanisch trennende Bauelemente angesteuert werden.
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Im folgenden wird der Gegenstand der Erfindung anhand der Figuren
1 und 2 erläutert.
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Gemäß Figur 1 besteht das erfindungsgemäße Gerät aus zwei kaskadenartig
hintereinandergeschalteten Teilgeräten 1 und 2 mit Jeweils eigenen Regelkreisen.
An ein Wechselstromnetz, dessen Spannung beIspielsweise 100 ... 250 V betragen kann,
ist ein Gleichrichter 3 angeschlossen, der die Wechselspannung in eine grob geglättete
Gleichspannung umformt. Diese Gleichspannung wird dem ersten Teilgerät zugeführt,
welches einen mit Leistungshalbleitern aufgebauten, durch Taktpulse steuerbaren
Schalter 4 enthält. Über den Schalter 4 wird die so erzeugte getaktete Gleichspannung
den Schaltelementen 8 und 9 zur Glättung zugeführt. Durch Ansteuerung des taktenden
Schalters 4 über eine elektronische Regeleinrichtung 5 wird erreicht, daß die so
gewonnene Gleichspannung - im folgenden "Zwischenspannung genannt - konstant gehalten
wird.
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Der Eingang des zweiten leilgerätes 2 wird an diese Zwischenspannung
angeschlossen. Dieses zweite Teilgerät 2 besteht aus einem oder mehreren an die
Zwischenspannung parallel angeschlossenen Umrichtern 6. Jeder Umrichter 6
besteht
aus einem steuerbaren Wechselrichter mit Trennüberträger, Gleichrichter und Glättungseinrichtung.
Die Ausgangsspannung jedes Umrichters wird mit Hilfe jeweils eines Regelkreises
7 durch Taktsteuerung der Halbleiterschalter eines jeden Wechselrichters konstant
auf ihren Sollwerten gehalten.
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Anhand der Figur 2 ist eine erfindungsgemäße Ausführung eines netztransformatorlosen
Stromversorgungsgerätes näher beschrieben. Das erste Teilgerät 1 des StromveruorgungYU-rätes
erzeugt aus der Netzspannung die Zwischengleichspan nung. Über ein Netzfilter 10
und eine Gleichrichterschaltung 3 wird zunächst eine von der Höhe der Netzspannung
abhängige, grob geglättete Gleichspannung gewonnen. Aus dieser Gleichspannung wird
mittels eines getakteten Schalters 4 und den Glättungsmitteln 8 und 9 die konstante
Zwischenspannung erzeugt und gegenüber Netzspannungsschwankungen und Lastschwankungen
unabhängig gehalten. Dazu wird im Komparator 12 die Zwischenspannung mit einer Referenzspannung
11 verglichen. Die daraus resultierende Regelabweichung steuert einen Pulslängenmodulator
15 derart, daß die den Schalter 4 taktenden Pulse die Regelabweichung verkleinern
bzw. aufheben.
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Aufgrund dieser Regelung kann das Stromversorgungsgerät in einem weiten
Bereich der Eingangsspannung betrieben werden und ohne Umschaltmaßnahmen an Wechselstromnetze
mit Nennspannungen von 110 V bis 235 V angeschlossen werden. Selbstverständlich
kann es auch für andere Netzspannungen ausgelegt und auch an Gleichspannungsnetze
angeschlossen werden.
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Ferner werden durch diese Regelung Netzspannungsschwankungen von dem
zweiten Teilgerät 2ferngehalten, so daß im zweiten Teilgerät im wesentlichen nur
die Änderungen der Ausgangsspannungen ausgeregelt zu werden brauchen, die durch
die Verbraucher verursacht werden.
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Die Zwischenspannung wird durch zwei Gesichtspunkte festgelegt: Sie
kann höchstens so groß sein, daß auch bei der niedrigsten Netznennspannung und einem
dabei möglichen Absinken der Spannung auf den unteren Wert der Toleranzgrenze noch
ein kleiner Überschuß für das einwandfreie Arbeiten der Regelung des ersten Teilgerätes
vorhanden ist.
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Sie sollte nicht höher sein, als mit Rücksicht auf die Betriebsspannung
der nach Kostenüberlegungen gewählten Siebmittel 8 und 9 hinter dem getakteten Schalter
4 und mit Rücksicht auf die Betriebsspannung der in den Wechselrichtern des zweiten
Teilgerätes verwendeten Halbleiterelemente vertretbar ist.
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Die konstante Zwischenspannung erlaubt es, die Kondensatoren 8 der
Siebmittel und die Halbleiter der Wechselrichter 18 hinsichtlich Strom- und Spannunsbeanspruchung
optimal auszulasten.
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An Hilfseinrichtungen sind verschiedene Baugruppen vorhanden. Der
Startkreis 16 wird beim Einschalten des Gerätes von der Gleichrichterschaltung 3
gespeist und erzeugt Pulse zum Starten des taktenden Schalters 4. Dadurch wird die
Zwischenspannung aufgebaut, wodurch der Hilfsumrichter 17 die zum geregelten Betrieb
des Gerätes erforderlichen Hilfsspannungen erzeugen kann und das Gerät in den stationären
Betrieb geht.
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Im Teilgerät 2 sind je nach der Zahl der gewünschten Ausgänge parallel
an den Zwischenkreis gleichartige Umrichterbaugruppen, bestehend aus dem steuerbaren
Wechselrichter 18. dem Trennübertrager 19 und dem Gleichrichter 20 mit Glättungseinrichtung,
angeschlossen. Diese Umrichterballgruppen besorgen die Potentialtrennung zwischen
Netz und
Verbraucher 26, 27. Für jeden Ausgang ist ein Regelkreis
yorhanden, der die Ausgangsspannung unabhängig von der angeschlossenen Belastung
konstant hält. Dazu wird die Ausgangsspannung mit einer Referenzspannung 21 mittels
eines Komparators 22 verglichen, dessen Ausgangssignal über ein galvanisch trennendes
Element 23, z. B. einen Fotokoppler, auf den Pulslängenmodulator 24 des Wechselrichters
18 übertragen wird. Die Regelabweichung steuert den Wechselrichter in dem Sinne,
aaß diese Abweichung möglichst klein wird.
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Aus der Anwendung je eines Umrichters für jeden Ausgang ergibt sich,
daß die Ausgangsklemmen keine galvanische Verbindung miteinander haben müssen und
eine freie Wahl der Erdungspunkte möglich ist.
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Um akustische Interferenzen und die damit verbundene Geräuschentwicklung
zu vermeiden, werden die taktenden Schalter synchron eingeschaltet, Das synchrone
Betätigen der getakteten Schalter in den beiden Teilgeraten 1 und 2 geschieht durch
Ansteuerung der Pulslängernnodulatoren 15, 24 usw. durch einen einzigen Taktgenerator
25. Bei einer Ausführung eines Stromversorgungsgerätes wird man z. B.
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durch den Taktgenerator das gleichzeitige Einschalten aller taktgesteuerten
Schalter besorgen, das Ausschalten aber durch dieRegelvorgänge der Spannungsregelkreise.
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Durch die erfindungsgemäß kaskadenartig hintereinanderge schalteten
Teilgeräte mit jeweils eigenen Regelkreisen ergeben sich folgende Vorteile: 1. Aufgrund
der kaskadenartig hintereinandergeschalteten Regelkreise des ersten Teilgerätes
und des zweiten Teilgerätes ergeben sich kleine Regeischleifen und damit ein gutes,
dynamisches Verhalten der Ausgangsspannungen.
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2. Da jeder Umrichter seinen eigenen Regelkreis besitzt, können sich
die Ausgangsspannungen gegenseitig nicht beeinflussen.
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3. Alle Bauelemente, die an der konstanten Zwischenspannung betrieben
werden, können unabhängig von der Höhe der Netzspaunung hinsichtlich Strom und Spannung
voll ausgenutzt werden.
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4. Für mehrere Ausgänge können gleichartige Baugruppen im zweiten
Teilgerät benutzt werden.
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- Patentansprüche -