DE2338538A1

DE2338538A1 - Umsetzer mit einer mehrzahl von betriebsweisen, verwendbar zur stromversorgung von lasten auf langen leitungen

Info

Publication number: DE2338538A1
Application number: DE19732338538
Authority: DE
Inventors: Billy Harold Hamilton; John Robert Meszar; Roman Ostapiak; Robert Edward Schroeder; Peter Pentti Untamo
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1972-07-31
Filing date: 1973-07-30
Publication date: 1974-02-14
Also published as: GB1444001A; IT989969B; JPS49132910A; NL158625B; NL7310449A; AU5850973A; US3818307A; CA985737A; FR2195114B1; BE802958A; DE2338538B2; DE2338538C3; SE388516B; FR2195114A1; JPS5220290B2

Description

Umsetzer mit einer Mehrzahl von Betriebsweisen, verwendbar zur Stromversorung von Lasten auf langen Leitungen

Die Erfindung bezieht sich auf einen Umsetzer mit einer Mehrzahl von Betriebsweisen zur geregelten Energiezufuhr für eine Last und ist insbesondere zur Stromversorgung von Lasten verwendbar, die in Serie auf langen Leitungen geschaltet sind, zum Beispiel auf einer Nachrichtenleitung.

In vielen Stromve rsorgungs systemen werden Umsetzer zur Transformation einer Eingangsgleichspannung bei einem Pegel auf eine

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Ausgangsgleichspannung bei unterschiedlichem Pegel verwendet. Gewöhnlich wird die Ausgangsspannung so geregelt, daß sie auf einem im wesentlichen konstanten Regel gehalten wird.

Trotzdem gibt es Situationen, in denen ein konstanter Ausgangsstrom im Gegensatz zu einer konstanten Spannung vorteilhaft wäre. Ein typischer Fall tritt bei Nachrichtenverbindungsleitungen auf, wenn die Signalrelaisstationen entlang einer langen Leitung durch große Entfernungen voneinander getrennt sind und wegen ihrer Entfernung von den örtlichen Betriebsspannungsquellen serienmäßig durch einen entlang der Linie fließenden Strom betrieben werfen. In einer solchen Verbindungsleitung können Änderungen der Temperatur oder anderer Störursachen zu einer Änderung des Apnnungs ab falls entlang der Leitung führen, so daß die Wahrscheinlichkeit besteht, daß ein an einem Ende der Leitung zugeführter konstanter Strom eine richtigere Vorspannung jeder Relaisstation bietet, als eine an dem Ende der Leitung zugeführte konstante Spannung.

Bei sehr langen Verbindungsleitungen schließt eine wünschenswerte Schaltung zwei Einwegleitungen und mindestens vier Umsetzer ein, und zwar zwei an jedem Ende, wobei die Polaritäten in einer Schleife mit den Leitungen in Serie geschaltet sind. Der Mittelpunkt eines

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Paares der Umsetzer wird typischerweise zum Ausgleich des Systems geerdet, so daß die Spannungen zwischen den Leitungen und Erde möglichst gering werden.

Bei einer Mehrzahl von in Serie geschalteten Umsetzern hat die Betriebsweise gemäß konstantem Strom den Nachteil, daß, wenn die Ausgangs ströme nicht genau symmetrisch sind, ein Umsetzer tendenziell überwiegt und die gesamte Leistung der Last liefert. nieses Ergebnis kommt deshalb zustande, weil die Rückkopplungsregelschaltongen der Umsetzer versuchen, die Betriebs ströme aufrechtztteriialten, und schließlich auf die extremen Bedingungen der Ausgangsspannung getrieben werden.

Bei bekannten Umsetzer dieser Art ist dafür gesorgt worden, daß der Umsetzer von der Regelung der Betriebsweise gemäß konstantem Strom auf konstante Spannung umgeschaltet wird, wenn die Ausgangsspannung einen vorgewählten hohen Wert erreicht. Zu Zeit def Umschaltung kann eine lange Verbindungsleitung äußerst unsymmetrisch und ausgeglichen zu Erde werden und so verbleiben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Umsetzer der eingangs angegebenen Art so auszubilden, daß die beschriebene Un-

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symmetrie nicht eintritt.

Die gestellte Aufgabe wird aufgrund der in den Ansprüchen angegebenen Merkmale gelöst.

Gemäß der Erfindung weist jeder Umsetzer eine Mehrzahl von Betriebsweisen auf, einschließlich einer normalen Betriebsweise, in welcher das Diagramm des Ausgangsstromes gegenüber der Spannung einen wesentlichen Bereich mit linearer negativer Neigung aufweist. Jenseits der Grenze für hohen Strom der normalen Betriebsweise liegt eine Betriebsweise der Regelung auf im wesentlichen konstanten Strom und jenseits der Grenze für hohe Spannung der normalen Betriebsweise liegt eine Betriebsweise der Regelung auf im wesentlichen konstante Spannung.

Es ist ferner vorgesehen, den Umsetzer stillzusetzen, wenn eine Einschaltbedingungen wie abnorm hohe Lastimpedanz oder offene Leitung vorliegt. Zusätzlich wird der schwimmende neutrale Punkt einer zu Erde symmetrischen langen Verbindungsleitung automatisch geerdet, wenn die Spannung zur Erde zu groß wird, und wird automatisch von Erde abgetrennt, wenn die Umsetzerströme beim neutralen Punkt genügend symmetrisch werden.

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Weitere Merkmale und Vorteile der Frfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Blockschaltung einer Nach

richtenverbindungsleitung unter Verwendung von Umsetzer und automatischen E'rden gemäß Erfindung,

Fig. 2 ein Diagramm mit Kurven zur Dar

stellung des Regelverhaltens gemäß Erfindung,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines geregelten

Umsetzers gemäß Erfindung und

Fig. 4 eine Schaltung, teilweise in blockierter

Form zur Durchführung der. automatischen Erdung und Trennung von Erde, was ein Aspekt der Erfindung ist.

Die typische' Funktion eines Betriebsspannungesystems der in Fig. 1 dargestellten Art liegt darin, Gleichstromleistung für Relais- oder Verstärkerstationen zu liefern, beispielsweise an die entgegengesetzt gerichteten Verstärkerstationen 11 und 12 in einer langen Verbindungsleitung eines Nachrichtensystems. Bei der Anlage werden typischerweise koaxialkabel 13 und 14 zur Leitung der Signale zwischen den

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Verstärkern 11 in der einen Signalwanderrichtung und zwischen den Verstärkern 12 in der anderen Signalwanderrichtung verwendet.

Bei einer Verbindungsleitung relativ großer Länge werden Umsetzer 15 und 16 in Serie in einer Schleife mit dem Kabel 13 und den Verstärkerstationen 11 geschaltet, wobei die Umsetzer an entgegengesetzten Enden der Verbindungsleitung sitzen. Diese Anordnung führt zu geringen Gleichstromspannungen zu Erde, weil die Spannungsabfalle der Verstärkerstationen zwischen den beiden Umsetzern liegen. Bei einer relativ kurzen Verbindungsleitung könnte einer der Umsetzer am Ende fortgelassen werden. Bei einem mäßig bis langen Verbindungsglied wird ein Umsetzer 18 in Serie mit dem Umsetzer 17 sowie den Verstärkerstationen 12 und das Kabel 14 geschaltet, um die Gleichspannungen nach Erde in der zweiten Hälfte des Verbindungsgliedes oder der Verbindungsleitung möglichst gering zu halten.

Die beiden Hälften der Nachrichtenverbindungsleitung sind immer bezüglich Erde symmetrisch, d. h. ausgeglichen, indem beispielsweise ein Umsetzer 17 in Serie zum Umsetzer 15 und in einer

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Schleife mit den Verstärkerstationen 11 und 12 und den Fabeln 13 und 14 liegt, f-o daß der Mittelpunkt zwischen den Umsetzern 15 und 17 neutral ist oder in der Nähe des Ftdpotentials liegt, wenn der entsprechende Punkt zwischen den Umsetzern 16 und 18 am anderen Ende des Verbindungsgliedes fest nut Frde verbunden ist, wie gezeigt.

nie Umsetzer 15 bis 18 sind mit den jeweilig benachbarten Teilen der Kabel 13 und 14 über Leistungetrennfilter 19 bis 22 in bekannter V eiee verbunden. Die Leietungstrennfilter stellen dia Verbindung zu nicht dargestellten Sender bzw. Empfänger des Signals dar und trennen diese von dem Gleichstrom.

Oie Umsetzer 15-bis 18 sind solche mit einer Mehrzahl von Betriebsweisen gemäß Erfindung, wie später irr einzelnen erläutert wird. Tede Umsetzer liefert einen nominalen Wert tines geregelten Stromes bei einem nominalen Wert einer geregelten Spannung mit dem Unterschied zu bekannten geregelten Umsetzern, daß bei der normalen geregelten Betriebeweise sowohl der Strom als auch die Spannung innerhalb einer vorgeschriebenen negativen Keigung sich ändern kann, so

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daß eine adequate Leistung jeder der Verstärker Stationen 11 und 12 zugeführt wird, während die Last symmetrisch auf die Umsetzer 15 bis 18 aufgeteilt wird. Jenseits der Grenzen des normalen Regelbereiches weist jeder Umsetzer jeweils Betriebsweisen für konstanten Strom und konstante Spannung mit einem scharf definierten automatischen Umschaltpunkt auf.

Eine spezielle Note mit Bezug auf Fig. 1 ist das Merkmal des Verhaltens bei unerwarteter Unsymmetrie in dem gezeigten Zweiweg-Vierdraht-Koaxialkabelsystem. Wenn eine Störung gerade die eine Hälfte der Verbindungsleitung betrifft, so daß der schwimmende Punkt zwischen den Umsetzern 15 und 17 bezüglich seiner Spannung von Erde im wesentlichen abweicht, wird eine Erdungs- und Erdabschi Itungs schaltung aktiviert und erdet den schwimmenden Punkt, indem der Schalter 24 geschlossen wird. Zu diesem Zweck wird ein Spannungsabtastsignal innerhalb der Erdungs schaltung 23 erzeugt, wie später gezeigt wird.

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Wenn einmal der schwimmende Punkt mit Erde verbunden ist, führt die Spannungsungleichheit in den beiden Hälften der Verbindungsleitung bzw. des Verbindungsgliedes zu einem Strom, der durch den Erderückkehrweg fließt, welcher die Kabelumhüllungen umfassen kann, undzwar zu dem geerdeten Punkt zwischen den Umsetzern 16 und 18. Dieser Strom ermöglicht es, dem schwimmenden Punkt, auf Erdpotential gehalten zu werden.

Dieser Strom hat jedoch den wesentlichen Nachteil der Erzeugung von Korrosion in den Kabelumhüllungen oder anderen Erdverbindungen. Um diese Korrosion möglichst gering zu halten, wird der schwimmende Punkt automatisch von Erde getrennt, sobald ein vernünftiger symmetrischer Zustand wieder hergestellt ist.

Die Rückkehr zu einem potentialmäßig ausgeglichenen Zustand wird durch Abtastung der zu und von dem schwimmenden Punkt bzw. dem Konverter 15 und 17 fließenden Ströme abgetastet, und zwar mittels Stromabtastsignale, die der Logikschaltung 27 über Verbindungen 28 und 29 von den Konvertern 15 und 17 zugeführt werden

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Wahlweise und für den bevorzugten Anwendungsfall, in welchem die Umsetzer 15 bis 18 eine gesteuerte Starteinrichtung ■ aufweisen, bleibt der schwimmende Punkt während der Einschaltung der Umsetzer geerdet, bis die Ausgangs ströme beider Konverter in der Nähe ihrer Nennwerte sind und vernünftig gut ausgeglichen sind.

Weitere Einzelheiten der speziellen Er dungs- und Erdabtrennschaltung 23 werden in Verbindung mit Fig. 4 erläutert.

Fig. 2 zeigt Kurven zur Darstellung der Regelbetriebe weise der Umsetzer 15 bis 18 gemäß Erfindung. Der Rückkopplungsregulator in jedem Umsetzer steuert die Breite der Basisstromimpulse der Schalttransistoren in einer noch zu beschreibenden Inverterschaltung und dabei das Ausgangesignal des Umsetzers in solcher Weise, daß der Ausgang-Strom-Spannung-Lauf des Umsetzers drei Abschnitte 31, 32 und 33 zeigt, wie aus Fig. 2 ersichtlich. Die normale Regelbetriebs - weise ist durch den Abschnitt 32 dargestellt, der einen wesentlichen Bereich mit einer negativen Neigung aufweist. Der Abschnitt 32 kann auch als Betriebsweise für einstellbare

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Impedanzregelung bezeichnet werden.

An der Hochstrom-Grenze der normalen Betriebsweise ist ein abrupter Übergang zur Betriebsweise für Stromregelung zu bemerken, was als Abschnitt 31 in Ffe. 2 dargestellt ist. Verglichen mit der normalen Betriebsweisfe kann die Betriebsweise für Stromregelung als Betriebsweise mit im wesentlichen konstanten Strom bezeichnet werden.

An der Grenze zur höheren Spannung der normalen Regelbetriebsweise, welche gleichzeitig die Grenze zur Seite des niedrigen Stromes darstellt, ist ein abrupter Übergang zur Spannungsregel-Betriebsweise zu bemerken, was durch den Abschnitt 33 in Fig. 2 dargestellt ist. Die Spannungsregulier-Betriebeweise kann im Vergleich zur normalen Betriebsweise als eine solche mit im wesentlichen konstanter Spannungsregelung bezeichnet werden.

Es ist somit ersichtlich, daß ein Umsetzer gemäß Erfindung drei unterschiedliche Betriebsweisen der Regelung aufweist. In der Spannungsregel-Betriebsweise spricht der Kopplungsregulator auf die Ausgangsspannung des Umsetzers an und

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steuert diese. Der Umsetzer ist eine Spannungsquelle, wenn die Lastimpedanz im wesentlichen höher als normal ist. In der Betriebsweise for Stromregelung spricht der Kopplungsregulator auf den Ausgangsstrom des Umsetzers an und steuert diesen. Der Umsetzer ist eine Stromquelle wenn die Lastimpedanz wesentlich kleiner als normal ist. In der normalen Betriebsweise für einstellbare Impedanz spricht der Kopplungsregulator sowohl auf die Ausgangespannung als auch den Strom des Umsetzers an. Diese Betriebsweise entspricht typischerweise einem normalen Bereich der Lastimpedanz. Die Grenzen dieser Betriebsweise sind wählbare Parameter, welche im speziellen Fall so gewählt werden, daß die gestellte Aufgabe gelöst wird. Die Kombination von Strom- und Spannungs rückkopplung in dieser normalen Betriebsweise ergibt die optimalen Ausgangs Charakteristiken für die normalen Betriebe, in Anbetracht dessen, daß die Stromrückkopplung bestrebt ist, den Ausgangsstrom auf dem gewählten Pegel zu halten und die Spannungs rückkopplung dazu tendiert, die Ausgange spannung des zugeordneten Konverters auf dem gewählten Pegel in Abwesenheit von unerwarteten Störungen zu halten, so daß der richtige Ausgleich zwischen den Umsetzern und die richtigen Vorspannungen inallen Verstärkerstationen 11 und 12 garantiert werden.

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In Fig. 3 sind die wichtigen Merkmale und Verbindungen der Schaltung eines Umsetzers gemäß Erfindung gezeigt. Abhängig von der Länge des mit Strom zu versorgenden Kabele ändern sich die Erfordernisse bezüglich Ausgangsspannung des Umsetzers in beträchtlichen Grenzen. Aus wirtschaftlichen Gründen und zur Begrenzung von Falschströmen, die zu der an den Ausgangsklemmen 41 und 42 angeschlossenen Last im Falle einer Fehlfunktion der Schaltung gelangen können, ist der Umsetzer mit 1,2, 3 4 oder 5 Leistungctufen 43 bis 47 ausgerüstet, die jede etwa gleiche Kapazität aufweisen. Im einzelnen sind die Ausgangsgleichrichterschaltungen einschließlich Vollweggleichrichter 48, Filterspule 49 und Filterkondensator 50 mit den Ausgangsfilterkondensatoren jeweils in Serie zwischen Klemmen 41 und 42 geschaltet. ^in Abschlußausgangs filterkondensator 51 kann zwischen den Klemmen 41 und 42 geschaltet werden. Es ist im allgemeinen wünschenswert, daß die Leistungsstufen untereinander austauschbar sind.

Die Gleichstromeingangespannung für die Leistungsstufen 43 bis 47 wird von einer Quelle 52 geliefert.und zwar über

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einen Schalter 53, der von dem Stillege-Relais 54 gesteuert wird, so daß die Eingangsspannung zwischen den Klemmen 55 und 56 in jeder Inverterschaltung in der angedeuteten Polarität angelegt wird, um die Inverterschaltung in symmetrischer Weise zu erregen. Die Eingangs spannung wird auch einem Festfrequenz-Oszillator 57 zugeführt, welcher die Inverter der Leistungsstufen betreibt. Im einzelnen wird ein Festfrequenz-Signal, beispielsweise von 20.kHz dem Inverter über eine Wicklung 58 eines Transformators 59 in den Treibschaltungen für die Invertertransistoren 60 und 61 zugeführt. Die Breite jedes Halbzyklus, der zur Zuführung von Leistung über den Inverter wirksam ist, wird von einem Pulsbreitemodulator 62 gesteuert, der von der noch zu beschreibenden Rückkopplungsregelschaltung betrieben wird, und der an eine weitere Wicklung des Transformator ρ 59 angeschlossen ist. Ähnliche Verbindungen der Eingangsspannungsquelle 52, des Oszillators 57 und des Pulsbreitemodulators 62 sind für alle anderen Leistungsstufen 44 bis 47 vorgesehen.

Im einzelnen weist der Transistorinverter in der Leistungestufe 43 den Leistungetransformator 64 mit einer mitten an_r

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gezapften Primärwicklung 65 auf, deren Mittenanzapfung mit der positiven Klemme der Eingangs Spannungsquelle verbunden ist, und eine Sekundärwicklung 66 auf, die mit dem Gleichrichter 48 verbunden ist. Die positive Klemme der Gleichrichterbrücke ist mit der Filterspule 49 verbunden. Die Invertertransistoren 60 und 61 sind mit ihren Kollektoren an die Endklemmen der Primärwicklung 65 und mit ihrem Emitter zusammen an die negative Klemme der Quelle 52 geschaltet« Ihre Basisleitungen sind mit entgegengesetzten Klemmen der Sekundärwicklung des Transformators 59 verbunden. Die Dioden 67 und 68 sind in umgekehrter Polarität zwischen Basis und Emitter der Transistoren 60 und 61 geschaltet.

Die Leistungsstufen 43 bis 47 empfangen d-\n Basisantrieb von dem Oszillator 57 in der Form eines rechte ckförmigen Wechselstromes mit konstanter Amplitude, der an der Wicklung 58 des Transformators 59 anliegt.

Wenn der Transistor 60 nicht leitet, ist der Strom in der Sekundärwicklung 69 des Transformators 59 in Phase und proportional zu

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dem in der Wicklung 58 fließenden Strom. Wenn der Strom von der oberen Klemme der Wicklung 69 durch die Basis der Emitterverbindung des Trane ie tors 60 und durch die Diode 68 zurück zu der anderen Klemme der Wicklung 69 fließt, empfängt der Transistor 60 Basistrom in Vorwärtsrichtung und gelangt in seinen eingeschalteten Zustand. Der Spannungsabfall der Diode 68 in Vorwärts richtung hält den Transistor 61 im Aus-Zustand. Während des nächsten HaIbzyklus des ^asisstromantriebes vom Oszillator 57 werden die Bin- und Aus-Zustände der Transistoren 60 und 61 umgekehrt.

Während jedes Halbzyklus des Basistromes, nach einem von der Regelschaltung bestimmten Zeitintervall, das noch beschrieben wird, wird der Transistor 60 oder 61 - welcher gerade leitend war - in den Aus-Zustand für den Rest des Halbzyklus geschaltet.

Der Pulsbreitemodulator 62 ist mit einer Leistungstransistor· Ausgangsstufe bekannter Art ausgelegt, so daß er im Ein-Zustand im wesentlichen die Wicklung 63 des Transformators

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59 mit einem relativ kleinen Wideretandewert während des letzten Teile des Halbzyklus im wesentlichen kurzschließt. Diese Nebenschlußbetätigung kommt unabhängig von der Polarität der Spannung des Oszillators 57 zustande. Infolge der gegenseitigen Kopllung der Wicklungen 58 und 69 mit der Wicklung 63 erscheinen auch diese Wicklungen kurzgeschlossen. Infolgedessen werden die Dioden 67 und 68 im wesentlichen parallel geschaltet. Auf diese Weise werden die Basis-Emitter-Verbindungen der Transistoren 60 und 61 im wesentlichen den gleichen Vorspannungsbedingungen unterworfen. Wenn ein Vorwärtsstrom durch die Diode 67 geflossen ist, enthält die Diode eine gespeicherte Ladung mit ihrer Anode und den gemeinsamen Emitteranschlüssen der Transistoren, und zwar eine positive Ladung. Wenn der Pulsbreitemodulator 62 eingeschaltet wird, erhält der leitende Transistor 61 plötzlich eine negative Basis-Zu-Emltter-Spannung, da die Diode 68 im wesentlichen die gleichen Spannungsbedingungen wie die Diode 67 aufweist. Diese negative Basis-Emitter-Vorspannung führt zu einem plötzlichen Spannungsstoß umgekehrten Basisstromes im Transistor 61, weicher die in der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 61 gespeicherte Ladung rasch wegnimmt. Der

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Transistor schaltet rasch aus. Die in der Diode 67 gespeicherte Ladung ist größer als die in der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 61 gespeicherte Ladung, und zwar um das Maß, welches für das sichere Ausschalten des Transistors benötigt wird.

Vorzugsweise kann ein nicht gezeigter zusätzlicher Widerstand zwischen der Mittenanzapfung 69 und den gemeinsamen Emitteranschlttssen der Traneistoren 69 und 61 eingefügt werden, um einen Weg niedriger Impedanz für die Kollektor-Bas is-Leckströme zu schaffen, damit die Transistoren 60 und 61 ausgeschaltet bleiben, wenn kein Basisstrom zugeführt wird.

Wenn einer der Transistoren 60 oder 61 leitend ist, fließt der Strom von der Quelle 52 durch die Jeweilige Hälfte der Wicklung 65 und die Kollektor-Emitter-Strecke des leitenden Transistors. Dieser Stromimpuls, anfangend mit dem Beginn jedes Halbzyklus des Oszillatorausgangsstroms und endend beim Einschalten des Modulators 62, wird vom Transformator 64 umgeformt, gleichgerichtet und gefiltert, so daß der Filterkondensator 50 wieder geladen wird und schließlich auch der Filterkondensator 51 an den Ausgangeklemmen.

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Nunmehr wird die ßUcldcopplungsregelschaltung beschrieben. Hierzu ist es zweckmäßig die Verbindungen mit einer Last 70 zu zeigen, welche natürlich im wesentlichen die gleichen sind, wie die Verbindungen zwischen dem Umsetzer und dem anschließenden Umsetzer und dem Leistungstrennfilter in Fig. 1. Der Ausgangsstrom des Umsetzers wird von einer Stromabtastschaltung einschließlich einer sättigbaren Drosselspule 71 und geeigneter Verstärkungs- und Koppelschaltung 72 für die Stromabtastfunktion abgetastet. Die Verwendung von sättigbaren Drosselspulen für Stromabtastzwecke ist bekannt, m ähnlicher Welse kann die Ausgangsspannung des Umsetzers zwischen den Klemmen 41 und 42 mittels einer bekannten Spannungsabtastschaltung 73 abgetastet werden, welche beispielsweise eine weitere bekannte Art von sättigbarer Drosselspule aufweisen kann« Die erhaltenen Stromabtastsignale und Spannungsabtastsignale werden durch eine geeignete Bewertungseinrichtung, beispielsweise passende Verstärker 74 und 75 mit vorgewählten relativen Verstärkungsfaktoren bewertet, was grundlegend die negative Neigung des Abschnittes 32 in Fig. 2 bestimmt. Die Ausgangssignale der Bewertungeeinrichtungen 74 und 75 werden in einem Addierer 76 zueinander addiert und dem Signaleingang des Verstärkers 77 für

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normale Betriebsweise bzw. für einstellbare Betriebsweise zugeführt. Dort wird das Signal mit einer Bezugsspannung oder einem geeigneten Teil hiervon verglichen, wobei die Bezugsspannung von einer Quelle 78 stammt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 77 ist an einen Eingang eines ODER-Gliedes 79 gelegt, beispielsweise an die Anode einer Diode 80. lh ähnlicher Weise wird das Auegangssignal der Abtasteinrichtung 72 als Signaleingang dem Verstärker für Strombetriebsweise zugeführt, wo es mit einem geeigneten Teil der Bezggsspannung von der Quelle 78 verglichen wird und das erhaltene Signal an die Anode der Diode 82 in dem ODER-Glied 79 angelegt wird. Das Spannungsignal der Einrichtung 73 wird an den Signaleingang des Verstärkers 84 für Spannungsbetriebsweise angelegt, wo es mit einem geeigneten Teil der Bessugsspannung von der Quelle 78 verglichen wird und das erhaltene Signal wird an die Anode der Diode 81 im ODER-Glied 79 angelegt.

Beim Betrieb des RUckkopplungsregulatore liegt das ODER-Glied das größte der drei Eingangesignale an den Eingang des Pulsbreitemodulators 62 an. Die Verstärkungsfaktoren in den Abtast- und Rttckkopplungsschaltungen sind so bestimmt, daß das größte Signal vom

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Verstärker 84 in den Spannungs- und Strombereichen zwischen den Grenzen des normalen Betriebebereiches herauskommt, wie durch den Abschnitt 32 der Kurver der Fig. 2 definiert. Diese Verstärkungsfaktoren ermöglichen es deshalb, daß das von dem Verstärker 83 für Strombetriebsweise kommende Signal das größte wird und zu dem einzigen Signalweg zum Modulator 62 wird, wenn die Hochstromgrenze der normalen Betriebsweise Überschritten ist. m ähnlicher Weise wird das Ausgangesignal des Verstärkers 77 am größten und zu dem einzigen Signal, welches über das ODER-Glied 79 zum Modulator 62 gelangt, wenn die Hochspannungsgrenze der normalen Betriebsweise wie in Fig. 2 gezeigt, überschritten ist. Das an den Impulsbreitenmodulator 62 angelegte Signal bestimmt dessen Einschalt ze it in an sich bekannter Weise. Beispielsweise kann das an den Eingang angelegte Rttckkopplungsslgnal mit einer Sägezahnspannung verglichen werden, um die variable Amplitude des Rückkopplungssignals in eine variable Zelt für das Einschalten umzuwandeln, zu welcher Zelt der zugehörige Ausgangstransistor in den voll gesättigten Zustand getrieben wird und einen Nebenschluß zu den Wicklungen des Transformators 59 bildet. Diese Vergleichetechnik ist bekannt.

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Ein zusätzliches neues Merkmal ist in der Schaltung nach Fig. 3 enthalten. Dieses neue Merkmal wird als "Hoohimpedanz-StiUege" des Umsetzers bezeichnet. Ein Verstärker 85 für Hocbimpedanz-StiUsetzen vergleicht das von der Spmmimgsabtasteinrichtung 73 stammende Signal mit dem von einem Widerstandsnetzwerk stammenden Signal einschließlich von Widerständen 86, 87, 88. Diese Netzwerk legt ein Signal, welches eine von einer Bezugsquelle 89 stammende konstante Bezugsspannung einschließt, an die obere Klemme des Widerstandes 86, wobei ein Strom durch alle Widerstände 86Us 88 in Serie hindurch fließt. Dieses Eingangssignal schließt auch eine Komponente ein, die proportional zum Auegangsetrom 1st, da der Ausgangestrom durch den Widerstand 88 fließt. Die letztere Komponente, proportional zum Ausgangsstrom, ist für diese Stillsetz&chaltung deshalb bedeutsam, weil die Schaltung auf das Verhaltet» von Spannung und Strom anzusprechen hat, d. h. auf die Impedanz. Tatsächlich sind Schaltungen mit allmählichem Einschalten bekannt, und eine solche kann in dem Impulsbreitenmodulator 62 eingeschlossen sein.

&n Betrieb kann es manches Mal vorkommen, daß der Umsetzer bei offener Leitung angeschaltet ist. Diese Situation ist für die

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Komponenten des Systems gefährlich, da sich die Ausgangsspannung sehr rasch bis auf einen zerstörerischen Pegel aufbaut. Grundlegend steigt die Ausgangsspannung zu rasch an, well der Auegangestrom nicht rasch genug ansteigt. Wenn daher die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom in Jedem Augenblick In solcher Weise miteinander verglichen werden, daß vorhergesagt wird, ob die schließliche Spannung den zulässigen Wert überschreitet, dann wird sehr früh während des Aufbaus der Ausgangespannung vorhergesagt, ob die Lastimpedanz gefährlich hoch ist. Die gerade beschriebene Schaltung entspricht der Vorhersage dieser Bedingungen, nämlich relativ große Auegangsspannung verglichen mit dem Ausgangsstrom, indem ein Signal des Verstärkers 85 an das Relais 54 gelegt wird, um den Schalter 53 zu öffnen und dabei den Umsetzer auszuschalten.

In Flg. 4 sind weitere Einzelheiten der automatischen Erdungsund Erdtrenn-Schaltung gezeigt. Der Umsetzer 15 und der Umsetzer 16 sind über kleine Serienwiderstände 88', 92, 93 und 88 miteinander verbunden, wobei die. Verbindung der Widerstände 92 und 93 der in Fig. 1 dargestelltenschwimmende Punkt ist. Diese Widerstände dienen zur Ermöglichung der erforderlichen Strom-

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abtastfunktion und begrenzen den Stoß des Erdungstromes. Eine Schleifenstrom-Abtastschaltung 95 ist zwischen den Verbindungen der Widerstände 88' und 92 einerseits sowie 93 und 88 andererseits geschaltet, so daß sie effektiv parallel zur Serienkombination der Widerstände 92 und 93 liegt.

Die Schleifenstrom-Abtastschaltung 95 ist beim automatischen Trennen von Erde des schwimmenden Punktes bedeutsam, nach dem dieser geerdet worden ist, die Schaltung weist aber noch eine zusätzliche Funktion auf. Sie umschließt die Eingangsklemmen eines Vergleichsverstärkers 96 und die Bezugssignalsquelle 97, die parallel zu den Eingangsklemmen der Abtastschaltung 95 liegt. Der Vergleiohsverstärker 96 dient zur Erregung eines Relais 98 bei geöffneten Kontakten 108 in einer Überwachungsschaltung 104, wenn der durch beide Widerstände 92 und 93 in derselben Richtung fließende Schleifenstrom oberhalb des Schwellwert-Pegel ist. Wenn der Schleifenstrom unterhalb des Schwellwert-Pegels abfällt, fällt das Relais 98 infolge des Vergleichsverstärker β 96 ab und infolgedessen werden die Kontakte 108 geöffnet. Der schwimmende Punkt wird durch eine noch zu beschreibende Folge von Ereignissen geerdet, und zwar über Kontakte 24 des Relais 105 und über den

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kleinen Erdstromabtastwiderstand 102.

Umgekehrt wird das Heiais 98 erneut erregt, wenn der Schleifenstrom und die Spannung an den Widerständen 92 und 98 im wesentlichen oberhalb des Ausfall-Quellenwertpegels angestiegen ist. Unter diesen Bedingungen werden die Kontakte 24 erneut geöffnet und der schwimmende Punkt wird von Erde getrennt.

Die automatische Erdungsschaltung weist einen Kohleblock-Überspannungsschutz 100 bekannter Art auf, der parallel zu einer Entladungsröhre 101 liegt. Die Entladungsröhre 101 zündet rascher und genauer als der Kohleblock-Schutz 100 und sicherlich rascher als die Relaisschaltung den schwimmenden Punkt erden könnte. Tatsächlich können sowohl die Kohleblöcke 100 als auch die Entladungsröhre 101 rascher auf die schnellen Hochspannungsübergangsströme reagieren, als die Relaisschaltung der Überwachungsschaltung 104. Die Teile 100 und 101 sind für viel höhere Spannungepegel ausgelegt, als die Überwachungsschaltung 104. Die Kohleblöcke 100 stellen eine zuverlässigere Erdverbindung in dem Fall dar, daß der schwimmende Punkt einem Langzeit-Spannungsstoß von einem Blitzschlag unterworfen ist, als es eine Gasentladungsröhre 101 leisten könnte.

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Andererseits dient die Überwachungsschaltung 104 dazu, die raschesten Übergänge auszufiltern und langsamer aber bei wesentlich niedrigerem und länger dauerndem Spannungspegel zu reagieren, um den schwimmenden Punkt zu erden.

Die Überwachungsschaltung 104 für die Spannung des schwimmenden Punktes und den Erdstrom umfaßt einen Vergleicheverstärker 106, der ein normal erregtes Relais 105 betreibt, um dessen Kontakte 24 geöffnet zu halten. Am positiven Eingang des Vergleichsverstärkers 106 liegt über einem Widerstand 109 eine Bezugsspannung von der Bezugsspannungsquelle 107 an, die zur Aufrechterhaltung des normalerweise erregten Zustandes des Relais 105 in Abwesenheit von Eingangssignalen an den Vergleichsverstärker 106 passend ausgelegt ist. Eine der folgenden Bedingungen führt zur Aberregung des Relais 105, zum Schließen der Kontakte 24 und dabei zur Erdung des schwimmenden Punktes. Wenn das Relais 98 in der Schleifenstrom-Abtastschaltung 95 enterregt ist, wie zuvor erläutert, sind seme Kontakte 108 offen und die von dem Relais 105 weggenommene Spannung führt zu deren Enterregung, wobei der schwimmende Punkt geerdet wird, wenn die Kontakte 24 schließen. Wie erinnerlich,

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war dieses Ereignis eine Folge eines abnorm niedrigen Schleifen-Stromes, was den möglichen Ausfall eines der Konverter in der Schleife signalisiert. Die Erdung des schwimmenden Punktes ermöglicht es, den noch in Betrieb befindlichen Umsetzer, die Verstärkerstationen über einen geerdeten Rückkopplungsweg zu versorgen.

Die Abtastung der Spannung sswischen schwimmenden Punkt und Erde wird durch zwei Serienschaltungen 117 und 118 mit Avalanche-Dioden 121 und 123 niedriger Leckage und Gleichrichter-» dioden 122 und 124 durchgeführt, die parallel zum Ausgang eines Tiefpassfilters 116 geschaltet sind, dessen Eingang zwischen dem schwimmenden Punkt und Erde liegt.

Eine positive Spannung zwischen dem schwimmenden Punkt und Erde , der über der langsam reagierenden Schwelle liegt, wie diese durch das Filter 116 bestimmt wird, erzeugt zusammen mit der Avalanche-Diode und der Gleichrichterschaltung 117 eine positive Fehlerspannung mit Bezug auf Erde am Widerstand 120. Diese an den negativen Eingang des Vergleichers 106 angelegte Fehlerspannung ist

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positiver als der Bezugspegel auf dem positiven Vergleichsein -gang und führt dazu, daß das Relais 105 abfällt. Deshalb wird der schwimmende Punkt über den Kontakt 24 geerdet.

Eine negative Spannung, des schwimmenden Punktes nach Erde oberhalb des Schwellwertes für langsame Eeaktion führt zum selben Ergebnis über die Avalanche-Dioden und Gleichrichterschaltung 118, die eine negative Fehlerspannung am Widerstand 119 erzeugt, welche den Bezugspegel am Widerstand 119 auslöscht. Bei negativem Eingangssignal des Vergleichers 106 bei null Volt wird das positive Eingangssignal bei der Anlage det. *■ ehlersignals negativ. Der Vergleicher aberregt dann das Relais 105, was zur Erdung des schwimmenden Punktes führt. Der Vergleichsverstärker 106 ist normalerweise in dem E in-Zustand gesättigt, wobei das Relais 105 durch Anlage eines positiven Bezugseignale der Quelle 107 an die Spannungsteilerwiderstände 109 und 119 mit Strom versorgt wird. Ein Teil der positiven Bezugsspannung, die am Widerstand 119 entsteht, spannt den Verstärker 106 im E in-Zustand vor.

Es ist ersichtlich, daß nach Erdung des schwimmenden Punktes alle

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Eingangssignale an dom Vergleichsverstärker 106 entfernt worden und daß der schwimmende Punkt solange von Erde abgetrennt ist, wenn der Schleifenstrom genügend groß ist, das Relais 98 erneut zu erregen, die Eontakte 108 zu schließen und das Relais 105 zur Öffnung der Kontakte 24 erneut zu erregen. Diese Wirkung kann unschädlich gemacht werden, wenn, obwohl der Schleifenstrom auf einem genügenden Pegel ist, der Erdungsstrom über dem schwimmenden Punkt zu groß ist. Dieser Effekt des Unsohädlichmachens wird durch Abtastung des Erdungsstromes bewirkt, der durch den Widerstand 102 fließt. Selbst wenn die Kohleblöcke 100 oder die Gasentladungsröhre 101 leiten, führt der kleine Widerstand 102 genügend Erdungsstrom, wenn dieser allzu hoch ist, um den Operationsverstärker 106 zu betreiben und die Kontakte 24 zu öffnen.

Es wird darauf hingewiesen, daß für extrem große Ströme oder Spannungen in einem Umsetzer zusätzliche Stillegungsschaltungen vorgesehen sein können. Derartige Schaltungen sind konventionell. Beispielsweise grenzen für den Betrieb solcher Schaltungen sind durch die Kurven 34 und 35 in Fig. 2 gezeigt. In ähnlicher Weise wird eine bekannte und nicht dargestellte Startschaltung

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vorzugsweise in jedem Umsetzer, insbesondere im Impulsbreitemodulator 62 benutzt, um diesen allmählich anzuschalten und so bei dem Betrieb der Stillegungesohaltung für hohe Impedanz behilflich zu sein, als auch die Beanspruchung der Transistor-Ihverter-Schaltung und der Last zu reduzieren. Eine solche Schaltang unter Benutzung von konitunlerllchen analogen Rückkopplungasignalen ist bekannt.

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Claims

BLUMBACH ■ WESER ■ BERGEN & KRAMER

PATENTANWÄLTE IN WIESBADEN UND MÜNCHEN

DlPL-ING. P. G. BLUMBACH · DIPL-PHYS. Dr. W. WESER . DIPL.-ING. DR. JUR. P. BERGEN DIPL.-ING. R. KRAMER

WIESBADEN · SONNENBERGER STRASSE 43 - TEL (06121) 562943, 561998 MÖNCHEN

PATENTANSPRÜCHE

Umsetzer mit einer Mehrzahl von Betriebsweisen zur geregelten Energiezufuhr für eine Last, gekennzeichnet durch

eine Schaltung (71-78) zur Regelung gemäß normaler Betriebsweise, bei welcher eine änderung in einem Ausgangsparameter (z.B. Spannung oder Strom) von e' ar kompensierenden änderung eines anderen Parameters (z.B. Strom oder Spannung) begleitet wird.
2. Umsetzer nach Anspruch l_t dadurch gekennzeichnet,

da£ einer der Ausgangsparameter der Strom und der andere Ausgangsparameter die Spannung ist.
3. Umsetzer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

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daß ein lineares Verhältnis zwischen Strom und Spannung über einen wesentlichen Bereich der Ausgangscharakteristik für die Regelung nach normaler Betriebsweise existiert.
4. Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet,

daß eine Schaltung (83 oder 84) zur im wesentlichen konstanten

Regelung eines Ausgangsparameters (Strom oder Spannung) bei

einer Grenze der Regelung gemäß normaler Betriebsweise existiert.
5. Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet,

daß der im wesentlichen konstant geregelte Ausgangsparameter der Strom oder die Spannung ist.
6. Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet,

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daß eine Schaltung (83 und 84) zur im wesentlichen Konstantregelung des Stromes an einer Grenze der Regelung gemäß normaler Betriebswelse und zur Im wesentlichen Konstantregelung der Spannung an einer anderen Grenze der Regelung gemäß normaler Betriebeweise existiert.
7. Umsetzer nach einem der Ansprüche I bis 6,

dadurch gekennzeichnet,

daß eine Schaltung (85 bis 89) zur Beendigung der Betriebsweise des Umsetzers vorbanden ist, wenn sich diesem eine außerordentlich hohe Lastimpedanz darbietet.
8. Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 7,

dadurch gekennzeichnet,

daß eine Schaltung (77, 78, 83 und 84) zur Erzeugung von Fehlersignalen vorgesehen ist, die den Operationen gemäß konstanter und normaler Betriebsweise entsprechen, und daß eine Schaltung )79) zur Anlage des größten Fehlersignals vorgesehen 1st, welches die Betriebsweise des Umsetzers steuert.

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9. Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 8,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltung (73, 85 bis 89) zur Erzeugung eines Steuersignals vorgesehen ist, wenn die Ausgangsspannung einen variablen Bezugspegel übersteigt, um eine zu große Lastimpedanz anzuzeigen und die Operation des Umsetzers zu beendigen.
10. Anlage unter Verwendung einer Mehrzahl von Umsetzern nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dafi die Umsetzer (15 bis 18) serienmäßig an eine Mehrzahl von

Lasten (11 bis 14) geschaltet sind.
11. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar benachbarter Umsetzer (16 und 18) geerdet sind.
12. Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar benachbarter Umsetzer (15 und 17) einen schwimmenden, neutralen Punkt aufweisen.

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13. Anlage nach Anspruch 12,

dadurch gekennzeichnet,

daß ein Strom abtastendes Netzwerk (27) an den schwimmenden neutralen Punkt angeschlossen ist, um das zweite Paar benachbarter Umsetzer zu erden, wenn ein Spannungeungleichgewicht oberhalb eines vorgeschriebenen Pegels existiert und um die Umsetzer von Erde zu trennen, wenn die Ströme nahezu aus-* geglichen (symmetrisch) sind.

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