DE2329349A1

DE2329349A1 - Netzgespeistes gleichstromversorgungsgeraet mit potentialfreier bestimmung des im verbraucher fliessenden stroms

Info

Publication number: DE2329349A1
Application number: DE19732329349
Authority: DE
Inventors: Philipp Dipl Ing Sopper
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1973-06-08
Filing date: 1973-06-08
Publication date: 1975-01-02

Description

LICENTIA Patent-Verwaltungs-G.m.b.H., 6 Frankfurt 70

6. Juni 1973 PT-KN Za/ro

Netzgespeistes Gleichstromversorgungsgerät mit potentialfreier Bestimmung des im Verbraucher fließenden Stroms

Die elektrische Energie wird üblicherweise in Form von dreiphasigem Wechselstrom erzeugt. Da ein erheblicher Anteil der erzeugten Energie jedoch für Gleichstromverbraucher benötigt wird, besteht ein entsprechender Bedarf an Umformgeraten, den sogenannten Gleichrichtern, welche Wechselstrom in Gleichstrom umzuformen vermögen. Derartige Gleichrichter bestehen im wesentlichen aus einem Transformator und an dessen Sekundärwicklungen angeschlossenen Gleichrichterventilen, die dadurch charakterisiert sind, daß sie den Strom nur in einer Richtung durchlassen.

Bekannt sind derartige Gleichrichter insbesondere unter dem Namen Gleichstromversorgungsgeräte, die außer den bereits genannten Elementen noch Anordnungen zur Glättung des transformierten und gleichgerichteten Gleichstroms, sowie Regeleinrichtungen zur Überwachung der am Gleichstromverbraucher anliegenden elektrischen Größen Strom und Spannung enthalten.

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Diese Regeleinrichtungen wirken ihrerseits derart auf den Primärkreis des Transformators zurück, daß durch eine etwaige unterschiedliche Belastung des Gleichstromverbrauchers bedingte Änderungen der elektrischen Größen ausgeregelt werden, so daß eine gute Strom-oder Spannungskonstanz am Gleichstromverbraucher selbst erzielt wird.

Eine weitere Stufe in der Entwicklung von Gleichstromversorgungsgeräten war die Einführung des sogenannten statischen Wechselrichters. Bei einem Gleichstromversorgungsgerät dieser Entwicklungsstufe wird der Netzstrom zunächst gleichgerichtet. Die daraus resultierende Gleichspannung wird sodann in Abhängigkeit von den am Gleichstromverbraucher anliegenden elektrischen Größen zerhackt, transformiert und wiederum gleichgerichtet. Die doppelte Gleichrichtung und insbesondere die Zerhackung der in einer ersten Gleichrichteranordnung aus dem Speisewechselstrom gewonnenen und einem Energiespeicher zugeführten Gleichspannung gewährleisten bereits eine relativ hohe Güte der am Gleichstromverbraucher anliegenden elektrischen Größen. Die von diesen Größen abhängige Zerhackung der Gleichspannung im Wechselrichter wird normalerweise als Impulsbreitensteuerung bezeichnet.

Die vorliegende Erfindung betrifft somit eine Schaltungsanordnung zur unterbrechungsfreien Stromversorgung eines Gleichstromverbrauchers unter Verwendung einer ersten Gleichrichteranordnung zur Gleichrichtung eines Speisewechselstroms, eines

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Energiespeichers, in dem die aus dem Speisewechselstrom gewonnene Gleichspannung gepuffert wird, einer Wechselrichteranordnung mit Impulsbreitensteuerung, mittels der die am Energiespeicher anstehende Gleichspannung zerhackt wird, eines Transformators, einer zweiten Gleichrichteranordnung, in der der transformierte Wechselstrom gleichgerichtet wird, mindestens eines Glättungselements und einer Regeleinrichtung zum Vergleich des im Gleichstromverbraucher fließenden Stroms mit einer Sollgröße und zur von der Abweichung zwischen diesem Strom und der Sollgröße abhängigen Ansteuerung der Impulsbreitensteuerung.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung der genannten Art zu entwickeln, mit der eine opti-

Konstanz male / des im Gleichstromverbraucher fließenden Stroms

bei einem hohen Wirkungsgrad der gesamten Anordnung erzielbar

störende ist. Insbesondere soll eine/Wechselwirkung zwischen dem im Gleichstromverbraucher fließenden Ist-Strom und dem für die Impulsbreitensteuerung abzuleitenden Heßstrom vermieden werden.

Die genannte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zwischen der Sekundärwicklung des Transformators und der zweiten Gleichrichteranordnung ein Stromwandler vorgesehen ist, mittels dem eine dem Strom proportionale, in der Regeleinrichtung auszuwertende Größe meßbar ist.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Einzelheiten werden anhand der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

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Die Zeichnung zeigt den Prinzipaufbau der gesamten Schaltungsanordnung mit der erfindungsgemäßen Anordnung zur potentialfreien Bestimmung des im Gleichstromverbraucher fließenden Stroms*

In der Figur ist ein Netztransformator 1 dargestellt, der beispielsweise die drei Phasen R, S, T eines Drehstromnetzes aufnimmt. In einer ersten Gleichrichteranordnung 2 werden die Phasenströme gleichgerichtet und geglättet,

so daß am Ausgang der ersten Gleichrichteranordnung 2 eine Gleichspannung U_R ansteht. Diese wird an einen Energiespeicher in Form einer Pufferbatterie 3 abgegeben, welche ihrerseits zum Ausgleich eventueller Netzschwankungen dient. Auch bei einem möglichen Netzausfall tritt diese Pufferbatterie 3 in Aktion, indem sie für eine von der Speicherkapazität abhängige definierte Zeit einen Notbetrieb aufrecht erhält und somit zumindest die Durchführung bestimmter Schutzmaßnahmen im Notbetrieb des Gleichstromverbrauchers 9 ermöglicht. Die an der Pufferbatterie 3 anliegende Gleichspannung U wird nun über im Primärkreis eines Transformators 5 liegende steuerbare elektronische Schaltelemente 4l, 42 zerhackt.

Der gemäß dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel benutzte Transformator 5 hat sowohl eine mittenangezapfte Primär- als auch Sekundärwicklung. Entsprechend der mittenangezapften Primärwicklung 51 sind die steuerbaren elektronischen

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Schaltelemente 4l, 42 in Gegentaktschaltung mit den Wicklungsenden der Primärwicklung verbunden.

Es bedarf keiner besonderen Darstellung der und keines besonderen Hinweises auf die eine statische Wechselrichteranordnung ebenfalls verifizierende Brückenschaltung, welche anstelle der in der Zeichnung dargestellten Gegentaktschaltung anwendbar ist.

Die symbolisch als Wechselschalter dargestellten steuerbaren elektronischen Schaltelemente 4i, 42 sind wahlweise als Transistoren oder Thyristoren realisierbar, wobei die Leitendsteuerung jeweils mittels der genannten Impulsbreitensteuerung erfolgt. Dabei hat ein Ansteuerimpuls eine von der Abweichung zwischen einer Ist- und Sollgröße abhängige Impulslänge und zwar derart, daß bei großen Abweichungen die Impulse langer sind als bei kleinen Abweichungen.

Den Windungszahlen von Primärwicklung 51 und Sekunärwicklung des Transformators entsprechend wird die an der Primärwicklung 51 anstehende Wechselspannung transformiert.

Die Sekundärwicklung 52 des Transformators 5 ist ebenfalls mittenangezapft, und gibt den transformierten Wechselstrom an eine zweite Gleichrichteranordmmg 6 ab, die aus zwei jeweils anodenseitig mit je einem Anschluß der Sekundärwicklung 52 des Transformators 5 verbundenen Dioden 6l, 62

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besteht. Diese Dioden 6l, 62 sind mit ihren Kathodenanschlüssen untereinander verbunden. Zvri sehen dem gemeinsamen Kathodenanschluß und der Mittenanzapfung der Sekundärwicklung 52 des Transformators liegt die Spannung für den Gleichstromverbraucher 9 an. Über ein induktives und ein kapazitives Glättungselement 7 t 8 wird diese am Ausgang der zweiten Gleichrichteranordnung 6 anstehende Spannung weiter geglättet, so daß die Restwelligkeit der Ausgangsgleichspannung U auf ein Minimum reduziert ist.

der ,

Bei bekannten Stromversorgungsgeräten wird im Gleichstromverbraucher fließende Strom J_v in einer Regeleinrichtung durch Vergleich mit einem entsprechenden Sollwert hinsichtlich absoluter Größe und Güte überwacht. Etwaige Abweichungen werden durch entsprechende Variation der Impulsbreitensteuerung der Wechselrichteranordnung ausgeglichen.

Bei den bekannten Methoden der Strommessung

ist infolge des direkten Anschlusses der Regeleinheit an die Zuführungsleitungen des Gleichstrornverbrauchers keine Potentialtrennung zwischen Versorgungs- und Meßkreis erreichbar.

Diese Nachteile werden erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß die übliche Gleichstrommessung zurückgefiihrt vird auf eino

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Messung der an der Sekundärwicklung des Transformators abnehmbaren pulsierenden Gleichströme.

Zu diesem Zweck wird in die Verbindung zwischen den Anschlußklemmen der Sekundärwicklung 52 des Transformators und den Anoden der Dioden 6l, 62 der zweiten GIeichrichteranordnung ein Stromwandler eingefügt, mittels dem ein den pulsierenden Gleichströmen äquivalenter Wechselstrom erzeugt wird.

Im allgemeinen versteht man unter einem Stromwandler einen Transformator kleiner Leistung, dessen Primärwicklung im Zuge von Leitungen liegt und dessen Sekundärwicklung über angeschlossene Meßinstrumente praktisch kurzgeschlossen sind.

Im speziellen Fall des dargestellten Ausführungsbeispiels ist der Stromwandler durch einen Ringkern 11 realisiert. Dieser ist derart im Zuge der Leitung zwischen Transformator 5 und zweiter Gleichrichteranordnung 6 eingefügt, daß im Ringkern eine Wechselmagnetisierung entsteht. Um dies zu erreichen, ist die Leitung zwischen dem einen Ende der Sekundärwicklung und der einen Diode 6l direkt durch den Ringkern 11 gesteckt und die Leitung zwischen dem zweiten Ende der Sekundärwicklung und der zweiten Diode 62 in entgegengesetzter Richtung durch den Ringkern 11 geführt.

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Entsprechend dieser Leitungsführung wird der Ringkern 11 im einen Fall entsprechend einer positiven Durchflußrichtung und im andern Fall entsprechend der entgegengesetzt gerichteten Durchflußrichtung magnetisiert. Da die Magnetisierungsströme gleichen Betrag haben, ändert sich der Magnetisierungszustand des Ringkerns 11 jeweils entsprechend der spezifischen Hystereseschleife.des Ringkernmaterials.

Über den Ringkern 11 ist eine Spule 12 gelegt, in welcher gemäß den Induktionsgesetzen ein Wechselstrom I^ induziert wird. Die Größe dieses Wechselstroms I_n, ergibt sich aus df_;n an der Sekundärwicklung 52 des Transformators abnehmbaren pulsierenden Gleichströmen und dem durch des Wicklungsverliältnis von Ringkern 11 und Spule 12 bestimmten Übersetzungsverhältnis.

Dieser in der Spule 12 induzierte Wechselstrom I„ ist den: im Gleichstromverbraucher 9 fließenden Gleichstrom proportional.

Im einfachsten Fall kann der Wechselstrom direkt als Führungsgröße für den im Gleichstromverbraucher fließenden Strom herangezogen werden.

Gemäß dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel wird jedoch der über den Ringkern 11 induzierte Wechselstrom I in einer Vollweggleichrichterschaltung 13 gleichgerichtet und einem Meßwiderstand ik zugeführt. Der an diesem Meßwiderstand entstehende Spannungsabfall U_M ist dem aus dem Wechselstrom !„,

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gewonnenen Gleichstrom I₈ proportional und wird in einer Regeleinrichtung 10 als Führungsgröße für den Gleichstrom I_v im Gleichstromverbraucher 9 ausgewertet.

In Abhängigkeit von der Abweichung zwischen dem Ist-Strom (Strom I.. im Gleichstromverbraucher bzw. der äquivalente Strom im Meßwiderstand) und dem in der Regeleinrichtung vorgegebenen Soll-Strom wird nunmehr der Wechselrichter Ίΐ, k2 angesteuert. Je nachdem, wie groß eine aktuelle Abweichung ist, wird die Impulsbreitensteuerung entsprechend aktiviert.

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Claims

Patentansprüche

1./Schaltungsanordnung zur unterbrechungsfreien Stromversorgung eines Gleichstromverbrauchers unter Verwendung einer ersten Gleichrichteranordnung zur Gleichrichtung eines Speisewechselstroms, eines Energiespeichers, in dem die aus dem Speisewechselstrom gewonnene Gleichspannung gepuffert wird, einer Wechselrichteranordnung mit Impulsbreitensteuerung, mittels der die am Energiespeicher anstehende Gleichspannung zerhackt wird, eines Transformators, einer zweiten Gleichrichteranordnung, in der der transformierte Wechselstrom gleichgerichtet wird, mindestens eines Glättungselements und einer Regeleinrichtung zum Vergleich des im Gleichstromverbraucher fließenden Stroms mit einer Sollgröße und zur von der Abweichung zwischen diesem Strom und der Sollgröße abhängigen Ansteuerung der Impulsbreitensteuerung, dadurch gekennzeichnet, daß zur potentialfreien Bestimmung des im Gleichstromverbraucher (9) fließenden Stroms (Iy) zwischen der Sekundärwicklung des Transformators (5) und der zweiten Gleichrichteranordnung (6) ein Stromwandler (ll) vorgesehen ist, mittels dem eine dem Strom (Iy) proportionale, in der Regeleinrichtung (10) auszuwertende Größe (U..) meßbar ist.

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2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromwandler durch einen Ringkern (ll) gebildet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkern (11) derart im Leitungsweg zwischen dem Transformator (5) und der zweiten Gleichrichteranordnung (6) angeordnet ist, daß eine Wechselmagnetisierung entsteht.

k. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkern (ll) mit einer Spule (12) umwickelt ist, in der aufgrund der Wechselmagnetisierung ein Wechselstromil*.) induziert wird.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (12) mit einer Vollweggleichrichterschaltung (13) verbunden ist, die den induzierten Wechselstrom (I,.,) gleichrichtet und einem Meßwiderstand (1*0 zuführt, dessen resultierender Spannungsabfall (U.,) die dem im Gleichstromverbraucher (9) fließenden Strom (Iy) proportionale Größe ist.

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