DE2401596A1 - Eintakt-gleichspannungswandler zur impulssteuerung der spannung an einer induktiven last sowie verfahren zu seinem betrieb - Google Patents

Description

Eintakt-Gleichspannungswandler zur Impulssteuerung der Spannung an einer induktiven Last sowie Verfahren zu seinem Betrieb

Die Erfindung bezieht sich auf einen Eintakt-Gleichspannungswandler zur Impulssteuerung der Spannung an einer induktiven Last über einen Transformator mit einer Primärwicklung, die über einen Schalter an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, mit einer Sekundärwicklung, die über ein Reihenventil und eine · Drosselspule mit der Last verbunden ist, welcher ein Freilaufventil zugeordnet ist, und insbesondere mit einer Rückmagnetisierungswicklung, die über einen Begrenzungswiderstand so an die Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, daß der über die Rückmagnetisierungswicklung fließende Rückmagnetisierungsstrom den Magnetkern des Transformators in umgekehrter Richtung magnetisiert wie der Primärstrom in der Primärwicklung, sowie ein Verfahren zum Betrieb des Eintakt-Gleichspannungswandlers.

Ein solcher Eintakt-Gleichspannungswandler wird zur Umformung einer festen Versorgungsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung von veränderlicher Höhe verwendet (deutsche Auslegeschrift 1 267 322). Als Schalter wird dabei ein steuerbares Ventil, insbesondere ein Thyristor, in einem Gleichstromsteller benutzt _f und als Freilaufventil wird eine Diode verwendet. Diese ist im allgemeinen der Last direkt parallel geschaltet.

Wird bei. einem solchen Eintakt-Gleichspannungswandler als Schalter ein Gleichstromsteller verwendet, so wird dessen Löschkondensator mittels der Energie, die in den Induktivitäten zwischen dem Gleichstromsteller und dem Freilaufventil gespeichert ist, nachgeladen. Die Nachladung bricht ab, wenn die Kondensatorspan-

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nung die Versorgungsgleichspannung der Gleichspannungsquelle erreicht hat. Hat die Gleichspannungsquelle nur eine kleine Versorgungsglaichspannung und/oder ist der laststrom sehr groß, so muß die Kapazität des Löschkondensators sehr groß bemessen sein, damit eine zur Löschung des Hauptventils ausreichende Ladungsenergie vorhanden ist, was einen erheblichen wirtschaftlichen Aufwand bedeutet. Als weiterer Nachteil wird es angesehen, daß die Ausgangsgleichspannung je nach Aufbau des Eintakt-Gleichspannungswandlers im allgemeinen auf einen Wert festgelegt ist, der über dem Wert der Versorgungsgleichspannung liegt. Für manche Anwendungsfälle ist es aber erwünscht, daß am Ausgang des Eintakt-Gleichsp'annungswandlers eine Ausgangsgleichspannung wahlweise mit einem größeren oder einem niederen Wert zur Verfugung steht.

Aufgabe der Erfindung ist es, den eingangs genannten Eintakt-Gleichspannungswandler so auszugestalten, daß seine Ausgangsgleichspannung wahl-weise größer oder auch kleiner als die Versorgungsgleichspannung ist. Der Sintakt-Gleichspannungswandler soll also für den sogenannten Zwei-Quadranten-Betrieb geeignet sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Reihenschaltung aus Sekundärwicklung und Reihenventil ein erstes steuerbares Freilaufventil und daß der Reihenschaltung aus Drosselspule und Last ein in Richtung des Laststroms gepoltes zweites Freilaufventil parallel geschaltet ist.

Bei diesem Eintakt-Gleichspanmmgswandler, bei dem das zweite Freilaufventil vorzugsweise ebenfalls steuerbar ist, wird der Löschkondensator des Gleichstromstellers, sofern ein solcher als Schalter verwendet wird, bei gesperrten Freilaufventilen über die Höhe der Versorgungsgleichspannung hinaus aufgeladen. Die Aufladung des Löschkondensators wird durch das Zünden eines oder beider Freilaufventile erst dann abgebrochen, wenn die negative Kondensatorspannung einen vorgegebenen Grenzwert erreicht hat. Dadurch läßt sich der bisher übliche Aufwand bei

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der Bemessung des Löschkondensators verringern.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Eintakt-Gleichspannungswandlers sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Zum Betrieb der beiden Freilaufventile ist zu sagen, daß sie gemeinsam oder zeitversetzt gezündet werden können.

Ein Verfahren zum Betrieb des Eintakt-Gleichspannungswandlers, bei dem man eine Ausgangsgleichspannung erhält, deren Höhe über dem Wert der Versorgungsgleichspannung liegt, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß das erste und zweite steuerbare Freilaufventil gemeinsam zu einem Zeitpunkt gezündet werden, an dem die negative Spannung an der Sekundärwicklung des Transformators betragsmäßig einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, der über dem Wert der Versorgungsgleichspannung der Gleichspannungsquelle liegt.

Zur Veränderung der Ausgangsgleichspannung kann hierbei vorgesehen sein, daß das Einschaltverhältnis des Schalters verändert wird und die Zeitpunkte, an denen die Freilaufventile gemeinsam gezündet werden, periodisch konstant gehalten werden.

Ein Verfahren zum Betrieb des Eintakt-Gleichspannungswandlers, bei dem man eine Ausgangsgleichspannung erhält, deren Höhe unter dem Wert der Versorgungsgleichspannung liegt, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß das zweite steuerbare Freilaufventil zu einem Zeitpunkt gezündet wird, an dem die negative Spannung an der Sekundärwicklung des Transformators betragsmäßig einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, der über dem Wert der Versorgungsgleichspannung der Gleichspannungsquelle liegt, und daß anschließend das erste steuerbare Freilaufventil zu einem Zeitpunkt, der eine vorgegebene Zeitdauer nach diesem Zeitpunkt liegt, gezündet wird.

Zur· Veränderung der Auogangsgleichypannung kann hierbei vorgenehori coin, daß das EinschaltverhäJ triis des Schalters konstant gehalten ist, daß der Zeitpunkt zur Zündung des zweiten Freilauf -

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ventils fest vorgegeben ist, und daß der Zeitpunkt zur Zündung des ersten Freilaufventils verändert wird.

Es ist möglich, bei der Steuerung oder Regelung z. B. der Ausgangsgleichspannung oder der abgegebenen Leistung von einem der beiden Betriebsverfahren auf das andere überzugehen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von fünf Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 einen Eintakt-Gleichspannungswandler mit zwei steuerbaren Freilaufventilen,

Figur 2 ein Steuerdiagramm für den Eintakt-Gleichspannungswandler nach Figur 1,

Figur 3 ein Spannungs-Zeit-Diagramm,

Figur 4 ein weiteres Spannungs-Zeit-Diagramm, und

Figur 5 einen weiteren Eintakt-Gleichspannungswand]er zur gleichzeitigen Speisung einer Last und einer Batterie.

Für gleiche Bauelemente werden in den Figuren dieselben Bezugszeichen verwendet.

Figur 1 zeigt einen Eintakt-Gleichspannungswandler, der z. B. für die unterbrechungsfreie Stromversorgung eingesetzt werden kann. Eine GIeichspannungsquelle 2 der Versorgungsgleichspannung U, z. B. ein ungesteuerter Gleichrichter mit stark schwankender Versorgungsgleichspannung U, ist mit ihren Klemmen 3 und 4 an eine Reihenschaltung angeschlossen, die im wesentlichen aus einem zünd- und löschbaren Hauptventil 5 und der Primärwicklung 6 eines Transformators "( besteht. Die Sekundärwicklung des Transformators 7 ist mit 8 bezeichnet. Das Windungsverhältnis zwischen Primärwicklung 6 und Sekundärwicklung 8 kann z. B. 1:1 betragen. Zur Reihenschaltung kann noch ein ungesteuertes Reihenventil 9 treten.

Das Hauptventil 5, insbesondere ein Thyristor, ist Bestandteil eines Gleichstromstellers, der noch eine Löscheinrichtung und

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eine Umschwingeinriohtung umfaßt und prinzipiell beliebig ausgebildet sein kann. Dieser Gleichstromsteller wirkt als Schalter für den über die Primärwicklung 6 fließenden Primärstrom. Die Löscheinrichtung ist dem Hauptventil 5 parallel geschaltet. Mit ihrer Hilfe kann das Hauptventil 5 nach dem Zünden wieder gelöscht werden. Sie besteht in der vorliegenden Ausführungsform aus. der Reihenschaltung eines Löschkondensators 10 mit einem steuerbaren Löschventil 11, insbesondere einem Thyristor, die in der angegebenen Reihenfolge zwischen Anode und Kathode des Hauptventils 5 geschaltet sind. Zu dieser Reihenschaltung kann noch eine Löschdrosselspule 12 gehören. Dem Löschventil 11 und gegebenenfalls der Löschdrosselspule 12 ist als Umschwingeinrichtung ein ungesteuertes Umschwingventil 13 in Reihe mit einer Umschwingdrosselspule 15 gegenparallel geschaltet.

Das Hauptventil 5 wird während veränderbarer Zeitintervalle abwechselnd durch ein Zündsignal an seiner Steuerstrecke gezündet und durch ein Zündsignal an der Steuerstrecke des Löschventils 11 gesperrt.

An das eine Ende der Sekundärwicklung 8 des Transformators 7 ist die positive Klemme 3 der Gleichspannungsquelle 2 angeschlossen. An das andere Ende der Sekundärwicklung 8 ist über ein ungesteuertes Reihenventil 15, z. B. eine Halbleiterdiode, und über eine Drosselspule 16, die zur Glättung vorgesehen ist, die Klemme 17 einer Last 18 angeschlossen. Die andere Klemme 19 der Last 18, die einen ohmschen und einen induktiven Lastanteil besitzt, ist mit der negativen Klemme 4 der Gleichspannungsquelle 2 verbunden.

Ein steuerbares erstes Freilaufventil 20 ist einerseits mit ' seiner Kathode in der Verbindung von Reihenventil 15 und Drosselspule 16 und andererseits mit seiner Anode an dem einen finde der Sekundärwicklung 8 angeschlossen. Zur Vermeidung von Sperrverlusten kann noch in Reihe mit diesem Freilaufventil ein (nicht gezeigtes) ungesteuertes Ventil geschaltet sein. Das Reihenventil 15 und das steuerbare erste Freilaufventil 20 sind hinsichtlich der Sekundärwicklung 8 als Gleichrichter in Ein-

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wegschaltung anzusehen.

Weiterhin ist ein steuerbares zweites Freilaufventil 21 vorgesehen. Dieses zweite Freilaufventil 21 ist mit seiner Kathode in der Verbindung von Reihenventil 15 und Drosselspule 16 und mit seiner Anode an der negativen Klemme 4 der Gleichspannungsquelle 2 angeschlossen. Als Freilaufventile 20, 21 sind insbesondere Thyristoren vorgesehen. Für manche Anwendungsfälle, z. B. wenn die Versorgungsgleichspannung TJ nahezu so groß ist, wie die zulässige Sperrspannung des Hauptventils 5, kann das zweite Freilaufventil 21 ungesteuert und als Halbleiterdiode ausgebildet sein.

Der Transformator 7 enthält noch eine Rückmagnetisierungswicklung 22. Diese ist über eine G-lättungsdrossel 23 und einen Begrenzungswiderstand 24 zwischen die beiden Klemmen 3 und 4 der Gleichspannungsquelle 2 gelegt. Der Anschluß ist so ausgeführt, daß der von der Gleichspannungsquelle 2 über diese Rückmagnetisierungswicklung 22, die Glättungsdrossel 23 und den Begrenzungswiderstand 24 getriebene Rückmagnetisierungsstrom den Magnetkern des Transformators 7 in entgegengesetzter Richtung magnetisiert wie der in der Primärwicklung 6 fließende Primärstrom.

Es wird vorausgesetzt, daß durch die Last 18 ein nichtlückender Laststrom 1(18) fließt. Es soll also stets eine Grundlast vorhanden sein. Die Last 18 kann sich jedoch im Betrieb ändern.

Zur wechselweisen Zündung des Hauptventils 5 und des Löschventils 11 ist ein Steuergerät 25 vorgesehen. Die Stromführungszeit und/oder die Taktfrequenz dieses Steuergeräts 15 kann mittels eines Steuersignals ρ an dessen Steuereingang beeinflußt werden. Hier wird angenommen, daß durch das Steuersignal ρ die Stromführungszeit a des Hauptventils 5 bei fester Taktfrequenz gesteuert wird.

Zur Zündung des ersten steuerbaren Freilaufventils 20 ist ein Steuergerät 26 vorgesehen. Dieses ist als Zeitstufe ausgebildet,

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deren Zeitdauer oder Verzögerungszeit mittels eines Stellsignals s einstellbar ist. Das Steuergerät 26 wird eingangsseitig von den Zündimpulsen des zweiten Freilaufventils 21 beaufschlagt, die von einem Steuergerät 27 abgegeben werden. Das Steuergerät 26 liefert dadurch jeweils zu einem Zeitpunkt, der um die einstellbare Verzögerungszeit nach dem Zündimpuls und damit nach der Stromübernahme des zweiten Freilaufventils 21 liegt, einen Zündimpuls.

Oas Steuergerät 27, das im wesentlichen ein Vergleichsglied oder einen Grenzwertmelder enthält, vergleicht einen Grenzwert TJ*, der über dem einfachen Wert der Versorgungsgleichspannung TJ der Gleichspannungsquelle 2 liegt, mit einer Spannung, die ein Maß für die negative Spannung an der Sekundärwicklung 8 des Transformators 7 ist. Der Grenzwert U* wird von einem einstellbaren Grenzwertgeber 28 geliefert, der im vorliegenden Falle als Potentiometer dargestellt ist. Als Spannung, die ein Maß für die negative Spannung TJ(8) an der Sekundärwicklung 8 ist, dient hier die Spannung U(1O) am Löschkondensator 10. Diese ist an dessen Klemmen 30, 31 abgegriffen. Damit gewährleistet ist, daß nur die positive Spannung TJ(1O) mit dem Grenzwert TJ* verglichen wird, ist eine Diode 29 am Eingang des Steuergeräts 27 vorgesehen. Diese sperrt die Weiterleitung einer negativen Spannung U(10). Die Polarität der negativen Spannung TJ(1O) ergibt sich aus den Ladungsvorzeichen am Löschkondensator 10 in Figur 1. Wegen des Spannungsabgriffs am Löschkondensator 10 ist der Grenzwert U* so gewählt, daß er über dem Doppelten der Versorgungsgleichspannung TJ liegt. - In den Zündleitungen der Ventile 5, 11, 20, 21 ist jeweils ein nicht näher bezeichneter Trenntransformator angeordnet.

Nach Figur 1 ist weiter ein Regelkreis vorgesehen, der für die Konstanthaltung der Ausgangsgleichspannung TJ(18) sorgt. Anstelle eines solchen Spannungsregelkreises kann z. B. auch ein Leistungsregelkreis vorgesehen sein.

Der Regelkreis umfaßt einen Regler 32, der in üblicher Weise ein Steuersignal U(32) für den Gleichstromsteller liefert, wel-

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dies die 3tromführun;^r3dauer des Haiiptventils 5 "bestimmt. !Der JiSgJer 52, dnr einen Vergleicher enthält, bestimmt das Steuersignal U{32) durch Vergleich der Ausgangsgleichspannung 11(18) mit einem Sollwert U*(18)₅ der an einem als Potentiometer dargestellten Sollwertgeber 4-3 abgegriffen ist. In Abhängigkeit dieses Steuersignals 13(32) können sowohl die Zünd- und Iiöschimpulse des Hauptventils 5 als auch die Zündimpulse für das erste steuerbare Preilaufventll 20 geführt werden. Eine Verteilerschaltung 33 sorgt dafür, daß das Steuersignal U(32) naeh Maßgabe seiner G-röße und damit nach Maßgabe der Abweichung der Ausgangsgieiehspannung TJ(13) vom Sollwert-entweder die Zündung des Hauptventils 5 oder die Zündung des ersten Prellaufventils 20 beeinflußt.

Die Verteilerschaltung 33 enthält zunächst die Reihenschaltung eines ersten Widerstandes 34 mit einer ersten Zenerdioäe 35, die von dem Steuersignal TJ{32) beaufschlagt wird, Der Spannungsabfall an der ersten .Zenerdiode 35 ist als Steuersignal ρ dem Steuersatz 25 zugeführt. Die Yerteilerschaltung 33 enhält weiter die Reihenschaltung eines zweiten Widerstandes 36 mit einer zweiten Zenerdiode 37, die ebenfalls von dem Steuersignal 13(32) beaufschlagt wird. Die erste Zenerdlode 35 und der zweite Widerstand 36 sind auf ein gemeinsames Bezugspotential gelegt. Der am zweiten Widerstand 36 abgegriffene Spannungsabfall ist als Stellsignal s dem Steuersatz 26 zugeführt. Die Zenerspannungen U beider Zenerdioden 35, 37 sind gleich groß.

Zur Erklärung der Punktion der Yerteilerschaltung 33 werde das Steuerdiagramm in Pigur 2 betrachtet. Hier sind der Verlauf des Steuersignals ρ und des Stellsignals s In Abhängigkeit eines Steuersignals U(32) graphisch dargestellt. Bei niederem Steuersignal U(32), welches einer geringen Aussehaltdauer b und damit einer hohen Ausgangsspannung U(18) entspricht, steigt die durchgezogen eingezeichnete Steuerspannung ρ linear mit der Größe des Steuersignals TJ(32), während das gestrichelt eingezeichnete Stellsignal s UuIl 1st. Dieser Bereich, In dem die Bezeichnung U< U(1S) gilt, ist durch das Bezugszeichen I kenntlich gemacht.

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Hier ist die Zeitverzögerung des Steuersatzes 26 Null, die beiden Freilaufventile 20, 21 werden daher gleichzeitig und in äquidistanten Zeitabständen gezündet, und die Ausgangsgleichspannung U(18) wird durch Änderung des Einschaltverhältnisses a/(a+b) des Gleichstromstellers verändert.

Hat das Steuersignal U(32) die Größe der Zenerspannung U_ erreicht, welche als Schwellwert anzusehen ist, vertauschen sich die Verhältnisse. Die Zenerspannung U_n, ist so gewählt, daß dieses Vertauschen an der Stelle stattfindet, an der U(18)=U gilt. Bei wachsendem Stauersignal U(32) im Bereich II, in dem die Beziehung U>U(18) gilt, nimmt somit das (gestrichelte) Stellsignal s linear mit dem Steuersignal U(32) zu, während das (durchgezogene) Steuersignal ρ auf einem Wert p_okonstant gehalten wird. Mit anderen Worten: In diesem Bereich II wird das Einschaltverhältnis a/(a+b) des Gleichstromstellers durch das Steuersignal ρ konstant gehalten, und die Zündung des ersten Freilaufventils 20 wird nach Maßgabe des Stellsignals s verändert.

Die Wahl des Arbeitspunktes im Steuerdiagramm nach Figur 2 und damit die Wahl, ob die Ausgangsgleichspannung U(18) im Bereich I oder II liegt, wird durch Einstellung am Sollwertgeber 33 vorgenommen. Der Regelkreis sorgt dafür, daß die Ausgangsgleichspannung U(18) auf dem eingestellten Arbeitspunkt konstant gehalten wird.

In den Figuren 3 und 4 ist der Verlauf der Spannung TJ(A,B) zwischen den Punkten A" und B an der Kathoden-Anoden-Strecke des zweiten Freilaufventils 21 in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt. Es wird davon ausgegangen, daß der Löschkondeiisator 10 in Figur 1 zunächst mit der umgekehrten Polarität aufgeladen ist wie eingezeichnet. Er sei also positiv aufgeladen. Der mit der Anode des Hauptventils 5 verbundene Belag soll also positiv gegenüber dem anderen Belag, der mit dem Löschventil 11 verbunden ist, aufgeladen sein.

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Wird nun zu einem Zeitpunkt t(5) das Hauptventil 5 vom Steuergerät 25 gezündet, so übernimmt das Hauptventil 5 nicht nur den Primärstrom durch die Primärwicklung 6, sondern auch den Umladestrom des Löschkondensators 10. Dieser Umladestrom fließt über das Hauptventil 5, die Umladedrossel 14 und das Umladeventil 13. Solange das Hauptventil 5 gezündet ist, liegt zwischen den Punkten A und B eine positive Spannung U(A,B), die sich aus der Versorgungsgleichspannung U und der Sekundärspannung U(8) = U additiv zusammensetzt. Diese Sekundärspannung U(8) wird in der Sekundärwicklung 8 induziert. Die Polarität der Sekundärspannung U(8) ist in Figur 1 durch einen Pfeil gekennzeichnet. Wenn der Umladevorgang des Löschkondensators 10 abgeschlossen ist, ist der Löschkondensator 10 mit der eingezeichneten Polarität, also negativ aufgeladen.

Zu einem späteren Zeitpunkt t(ii), der um die Einschaltdauer a nach dem Zündzeitpunkt t(5) liegt, wird das Löschventil 11 zwecks Einleitung der Löschung des Hauptventils 5 durch das Steuergerät 25 gezündet. Im allgemeinen wird der zeitliche Abstand zwischen zwei Löschzeitpunkten t(ii) konstant gehalten. Dieser zeitliche Abstand ist dann gleich der Periodendauer T = (a+b). Das Sinschaltverhältnis a/(a+b) läßt sich durch Verschiebung der Zündzeitpunkte t(5) gegenüber den Löschzeitpunkten t(ii) mittels des Steuersignals ρ einstellen.

Der Löschkondensator 10 unterbricht zunächst die Stromführung des Hauptventils 5. Dann wird er auf dem Wege über das Löschventil 11, die Löschdrosselspule 12, das Reihenventil 9, die Primärwicklung 6 und die Gleichspannungsquelle 2 rückgeladen. Er nimmt dabei die ursprüngliche, in Figur 1 nicht eingezeichnete Polarität wieder an. Der dem Hauptventil 5 zugewandte Belag erhält also wiederum positives und der dem Löschventil 11 zugewandte Belag erhält negatives Potential.

Diese Rückladung des Löschkondensators 10 wird im folgenden näher betrachtet: Im Löschzeitpunkt t(ii) sind die Gleichspannungsquelle 2 und der Löschkondensator 10 in Reihe an die Primärwicklung 6 geschaltet. Die Spannung U(A, B) zwischen den Punk-

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ten A und B setzt sieh daher aus der Eingangsgleiehspannung TJ und einem Amtell zusammen, der als Sekundär spannung U(B) In der Selmndärwicklnng 8 aufgrund dieser Reihenschaltung induziert wird. Diese Sekundarspannung U(8) Ist bei einem Windungszahl verhältnis von 1:1, das im folgenden stets vorausgesetzt wird, gleich der Yersorgungsgleichspannung U^lus.der Kondensatorspannung W(IO).

Hit abnehmender ladung des lösehkondensators 10, also mit fortschreitender fiäekladung, verringert sieh die Kondensat or spannung F{10) land damit die induzierte Sekundärspannung U(B)₉ so daß auch die Spannung U(A₉B) abnimmt, Hat die Kondensatorspannung U(IO) den Wert Hull erreicht, so wird die Sekundärspannung U(8) = U,, so daß zwischen den Punkten A und B die weiter reduzierte Spannung U(A₉B) = 2U liegt. Ist die positive Kondensator spannung U(IO) am ruckgeladenen ISschkondensator 10 gleich der EingangsgleIchspannung U geworden, so sind die Sleißhspannungsquelle 2 und der löschkondensator 10 gegeneinander geschaltet. BIe Sekundärspannung U{8) Ist Jetzt gleich ITuIl, und zwischen den Punkten A und B liegt die Spannung U(AjB) = U, also die eimfashe Yersorgungsglei abspannung U.

Es wird weiter vorausgesetzt, daß die Ereilauf ventHe 20 und 21 noch nicht gezündet werden, so daß der laststrom I(1B) auf keines dieser ibe3den Freilaufventile 20 und 21 kommutle— ren kann. Baher wird der Lösehkondensator 10 weiter rüekgeladen. Die Kondensatorspannung U(TO) des lösehkondensators 10 steigt also (mit der nicht eingezeichneten Polarität) weiter an. Hat sie zu einem Zeltpunkt t den Wert U{1O) = 2U erreicht, so hat die Sekundärspannung U(8) den Wert U{8) --U.angenommen. I)Ie Sekundärspannung U(B) ist getzt also negativ; sie hat jetzt eine andere Polarität, als durch den Pfeil an der Sekundärwicklung β in Figur 1 angedeutet. BIe Spannung U(A,B) zwischen den Punkten A und B-Ist damit gleich Hull» !Dieser Zeltpunkt t Ist In den Figuren 3 und 4 durch das Bezugszeiehen t !besonders kenntlich gemacht.

Bedeutsam ist, daß vom Zeitpunkt t an mit weiter fortsehrel—

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tender Rückladung des Löschkondensators 10 über den Wert U(IO) = 2U hinaus die Spannung U(A,B) zwischen den Punkten A und B negativ wird. Die Anode des steuerbaren Freilaufventils 21 wird also positiv gegenüber der Kathode, so daß das Freilaufventil 21 vom Zeitpunkt t an Strom führen kann. Aus den Figuren 3 und 4 sind die negativen Anteile im Verlauf der Spannung U(A,B) ersichtlich.

Im folgenden wird die Wirkung der Zündung der beiden in Figur 1 dargestellten Freilaufventile 20 und 21 für vier Betriebsfälle erläutert. Die ersten beiden Betriebsfälle gehen davon aus, daß das eine Freilaufventil 20 oder 21 gezündet wird, während das andere permanent gesperre bleibt und keinen Strom führt; der dritte Betriebsfall geht von einer gleichzeitigen Zündung beider Freilaufventile 20, 21 aus, und der vierte Betriebsfall behandelt eine zeitversetzte Zündung beider Freilaufventile 20, 21.

Betriebsfall 1:

Nach Figur 3 wird das zweite Freilaufventil 21 in einem einstellbaren Zeitpunkt t(21) gezündet, der nach dem Zeitpunkt t liegt. Dabei wird angenommen, daß bei der Zündung dieses zweiten Freilaufventils 21 das erste Freilaufventil 20 weggelassen oder gesperrt ist. Die Zündung des zweiten Freilaufventils 21 erfolgt also zu einem Zeitpunkt t(2i), an dem die positive Spannung U(1O) am Löschkondensator 10 den vorgegebenen Grenzwert U* überschreitet, welcher über dem doppelten Wert der Versorgungsgleichspannung U liegt. Dieser Grenzwert U* ist, wie durch den Grenzwertgeber 28 angedeutet, einstellbar, so daß auch der Zeitpunkt t(2i) über diesen Grenzwert U* eingestellt werden kann.

Solange das steuerbare Freilaufventil 21 nicht gezündet ist, geht die Rückladung des Löschkondensators 10 unvermindert weiter. Erst wenn das Steuergerät 27 feststellt, daß die Bedingung U(8) = U*>2U erfüllt ist, gibt es einen Zündimpuls an das steuerbare Freilaufventil 21 ab. In diesem Augenblick geht die Spannung U(A,B) nach Figur 3 auf Null Volt, und die Rückladung des Löschkondensators

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durch den Primärstrom wird sehr schnell beendet. Der Zeitpunkt t(2i) wird mittels des Grenzwerts U* so gewählt, daß'der Löschkondensator 10 in diesem Augenblick auch bei einer niederen Versorgungsgleichspannung TJ ausreichend überladen ist. Die Spannung U(A,B) verbleibt auf dem Wert Null, bis zum nächsten Zeitpunkt t(5) wieder das Hauptventil 5 gezündet wird. Während dieses Zeitraumes kann die in der Drosselspule 16 und in dem induktiven Lastanteil gespeicherte induktive Energie auf dem Kreiswege 16, 17» 18, 19, B, 21 und A in Wärme umgesetzt werden. Ein Sekundär strom durch die Sekundärwicklung 8 kann während dieser Zeitdauer nicht fließen. Der angegebene Spannungsverlauf U(A,B) ist in Figur 3 mit einem durchgezogenen Kurvenverläuf eingezeichnet.

Betriebsfall 2;

Nach Figur 3 wird nun anstelle des zweiten Freilaufventils 21 das erste Freilaufνentil 20 gezündet. Die Zündung erfolgt durch das Steuergerät 26 in einem einstellbaren Zeitpunkt t(20), der nach dem Zeitpunkt t liegt. Dabei wird angenommen, daß bei der Zündung des ersten Freilaufventils 20 das zweite Freilaufventil 21 weggelassen oder gesperrt ist. Die Zündung des ersten Freilaufventils wird also auch zu einem Zeitpunkt t(20) vorgenommen, an dem die positive Spannung U(10) am Löschkondensator 10 einen nicht näher bezeichneten Grenzwert überschreitet, der über dem doppelten Wert der Versorgungsgleichspannung U liegt. Dieser Grenzwert wird als einstellbar angenommen; er soll kleiner als der Grenzwert U* sein. Der Zeitpunkt t(20) liegt also im Beispiel nach Figur 3 enger am Zeitpunkt t als der Zeitpunkt

Wenn das erste Freilaufventil 20 im Zeitpunkt t(20) gezündet wird, überbrückt es die Reihenschaltung von Sekundärwicklung 8 und Reihenventil 15. Die Sekundärwicklung 8 kann daher fortan keinen Beitrag mehr zur Spannung U(A,B) liefern, die nach dem punktgestrichenen Verlauf in Figur 3 plötzlich auf den einfachen Wert der Versorgungsgleichspannung U angehoben wird. Sie behält diesen Wert bei, bis im Zeitpunkt t(5) das Hauptventil 5 gezündet wird. Während dieses Zeitraums kann der Laststrom 1(18) auf den

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Kreiswege A, 16, 17, 18, 19, B, 4, 2, 3 und 20 fließen. Bemerkenswert ist, daß der Mittelwert U_m(A,B) dieser Spannung U(A,B) über dem Wert der Versorgungsgleichspannung TJ liegt. Das ist in Figur 3 durch eine strichpunktierte waagerechte Gerade hervorgehoben.

Betriebsfall 3;

Die Spannung TJ(A,B) ist ein Maß für die Ausgangsgleichspannung U(18) an der Last 18. Für den Fall, daß diese Ausgangsgleichspannung U(18) größer sein soll als die Versorgungsgleichspannung U, wird man in der Praxis so vorgehen, daß man das erste und das zweite steuerbare Freilaufventil 20 bzw. 21 gemeinsam zu dem Zeitpunkt t(20) = t(2i) zündet. Die Zeitpunkte t(20) und t(2i) in Figur 3 fallen also zusammen. Zur Veränderung des Mittelwerts U (A,B) und damit der Ausgangsgleichspannung U(18) wird der gemeinsame Zündzeitpunkt t(20) = t(2i) auf einen Wert im Bereich zwischen dem Zeitpunkt t und dem Zeitpunkt t(5) konstant gehalten. Das Einschaltverhältnis a/T des Gleichstromstellers wird dabei verändert. Es bestimmt die Höhe der Ausgangsgleichspannung U( 18). Dieses Betriebsverfahren entspricht einem veränderlichen Arbeitspunkt im Bereich I im Steuerdiagramm von Figur 2.

Betriebsfall 4;

Aus Figur 4 geht hervor, daß für den Fall, daß die Ausgangsgleichspannung U(18) kleiner sein soll als die Versorgungsgleichspannung U, die Zeitpunkte t(21) und t(20) verschieden gewählt werden müssen. Hierbei wird so vorgegangen, daß das Einschaltverhältnis a/(a+b) kleiner gewählt wird als im Betriebsfall 3. Zunächst wird das zweite steuerbare Freilaufventil 21 gezündet, und zwar zu einem Zeitpunkt t(21), an dem die positive Spannung U(10) am Löschkondensator 10 betragsmäßig den vorgegebenen Grenzwert U* überschreitet. Danach wird das erste steuerbare Freilaufventil 20 gezündet, und zwar zu einem Zeitpunkt t(20), der eine vorgegebene Zeitdauer nach dem erstgenannten Zeitpunkt t(2i) liegt. Zur Veränderung des Mittel-

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werts U_m(A,B), der als punktierte Gerade in Figur 4 eingezeichnet ist, und damit zur Veränderung der Ausgangsgleichspannung U(18) wird hier das Einschaltverhältnis a/(a+b) konstant gehalten, der Zeitpunkt t(2i) zur Zündung des zweiten Freilaufventils 21 periodisch fest vorgegeben und der Zeitpunkt t(20) zur Zündung des ersten Freilaufventils 20 verändert. Diese Veränderung wird mittels des Stellsignals s am Steuergerät 26 nach Figur 1 bewirkt. Dieses Betriebsverfahren entspricht einem veränderlichen Arbeitspunkt im Steuerdiagramm von Figur 2. - Selbstverständlich ist ein Übergang zwischen den Betriebsfällen 3 und 4 möglich.

In Figur 5 ist der bereits in Figur 1 gezeigte Eintakt-Gleichspannungswandler durch einige Bauelemente ergänzt worden. Es handelt sich dabei um einen weiteren Lastkreis, der entsprechend demjenigen in Figur 1 aufgebaut ist. Die einzelnen entsprechenden Bauelemente sind durch einen Zusatz "z" gekennzeichnet.

Nach Figur 5 ist. an das andere Ende der Sekundärwicklung 8 des Transformators 7, das nicht mit der Klemme 3 verbunden ist, über ein weiteres Reihenventil 15z, das bevorzugt gesteuert ausgeführt ist, und eine weitere Drosselspule 16z die Klemme 17z einer Batterie 38 angeschlossen. Die andere Klemme 19z der Batterie 38 ist mit der negativen Klemme 4 der Gleichspannungsquelle 2 verbunden. Der Reihenschaltung aus Sekundärwicklung 8 und weiterem Reihenventil 15z ist ein weiteres erstes steuerbares Freilaufventil 20z parallel geschaltet. Ihre Kathoden sind miteinander verbunden. Weiterhin ist der Reihenschaltung aus weiterer Drosselspule 16z und Batterie 38 ein in Richtung des Ladestromes 1(28) gepoltes weiteres zweites steuerbares Freilaufventil 21z parallel geschaltet. Die weiteren Freilaufventile 20z und 21z können insbesondere Thyristoren sein.

Die Funktion dieser mit "dem Zusatz "z" versehenen Ausgangsschaltung ist dieselbe wie diejenige der bereits erläuterten Ausgangsschaltung. Beide Ausgangsschaltungen können dabei mit einem eigenen Regelkreis entsprechend demjenigen in Figur 1 versehen sein. Es ist jedoch möglich, an den beiden Lasten 18, 38

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unterschiedliche Ausgangsgleichspannungen U(18) und U(38) zu erzeugen. Insbesondere ist es möglich, die Ausgangsgleichspannung U(13) größer und die Ausgangsgleichspannung U(38) kleiner als die Versorgungsgleichspannung U zu halten. Dadurch ist es möglich, die Last 18 im Normalbetrieb mit einer gesteuerten oder geregelten Ausgangsgleichspannung U(18) zu versorgen, während gleichzeitig die Batterie 38 gesteuert oder geregelt auf- oder nachgeladen wird. Bei einer Störung der Stromversorgung durch die Gleichspannungsquelle 2 kann die Batterie 38 anstelle dieser Gleichspannungsquelle 2 an den Eingang des Sintakt-Gleichspannungswandlers (mittels nicht gezeigter Umschaltvorrichtungen) geschaltet und somit zur Aufrechterhaltung der Spannungsversorgung an der last 18 herangezogen werden. Der Eintakt-Gleichspannungswandler nach Figur 5 stellt somit eine Notbereitschaftsanlage dar.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen,daß als weiteres Reihenventil 15z insbesondere ein steuerbares Ventil, z. B. ein Thyristor, verwendet wird. Mit einem steuerbar ausgeführten Reihenventil 15z läßt sich eine besonders niedrige Ausgangsgleichspannung U(38) erzeugen. Dieses Reihenventil 15z wird zum Zeitpunkt t(5) zusammen mit dem Hauptventil 5 oder nach diesem gezündet. Dadurch wird die Stromführungsdauer des Reihenventils 15z auf ein Minimum reduziert, das kleiner als die Stromführungsdauer a des Hauptventils 5 sein kann.

20 Patentansprüche
5 Figuren

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Claims (20)

1. - 17 - VPA 74/3003

   Patentansrjrüche

   .IEintakt-Gleichspannungswandler zur Impulssteuerung der Spannung an einer induktiven Last über einen Transformator mit einer Primärwicklung, die über einen Schalter an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, mit einer Sekundärwicklung, die über ein Reihenventil und eine Drosselspule mit der Last verbunden ist, welcher ein Freilaufventil zugeordnet ist, und insbesondere mit einer Rückmagnetisierung swicklung, die über einen Begrenzungswiderstand so an die Gleichspannungsquelle abgeschlossen ist, daß der über die Rückmagnetisierungswicklung fließende Rückmagnet is je— rungsstrom -den Magnetkern des Transformators in umgekehrter Richtung magnetisiert wie der Primärstrom in der Primärwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß der Reihenschaltung aus Sekundärwicklung (8) und Reihenventil (15) ein erstes steuerbares Freilaufventil (20) und daß der Reihenschaltung aus Drosselspule (16) und. Last (18) ein in Sichtung des Laststroms (I(18)) gepoltes zweites Freilaufventil (21) parallel geschaltet ist.
2. 2. Eintakt-Gleichspannuhgswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Freilaufventil (21) steuerbar ist.
3. 3. Eintakt-Gleichspannungswandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als steuerbare Freilaufventile (20, 21) Thyristoren vorgesehen sind.
4. 4. Eintakt-Gleichspannungswandler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zündung des zweiten steuerbaren Freilaufventils (21) ein Steuergerät (27) mit einem Vergleichsglied vorgesehen ist, dem ein Grenzwert (U*), der über dem Wert der Versorgungsgleichspannung (U) der Gleichspannungsquelle (2) liegt, und eine Spannung, die ein Maß für die negative Spannung (U(8)) an der Sekundärwicklung (8)

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   ist, vorgegeben ist und das bei Überschreiten des Grenzwerts (U*) durch diese Spannung einen Zündimpuls liefert.
5. 5. Eintakt-Gleichspannungswandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Grenzwert (U*j an einem Grenzwertgeber (28) einstellbar ist.
6. 6. Eintakt-Gleichspannungswandler nach Anspruch 4 oder 5, wobei als Schalter ein steuerbares Hauptventil vorgesehen ist, dem eine Löscheinrichtung mit einem Löschkondensator parallel geschaltet ist, insbesondere mit einem Transformator, dessen Windungszahlverhältnis etwa 1:1 beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung (U(IO)) am Löschkondensator (10) als Maß für die negative Spannung (U(8)) an der Sekundärwicklung (8) abgegriffen ist.
7. 7. Eintakt-Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1

   bis 6 für eine Ausgangsgleichspannung, deren Wert unter demjenigen der Versorgungsgleichspannung liegt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zündung des ersten steuerbaren Freilaufventils (20) ein Steuergerät (26) vorgesehen ist, welches zu einem Zeitpunkt (t(20)), der im Zeitpunkt der Stromübernahme des zweiten Freilaufventils (21) oder eine vorgegebene Zeitdauer nach dieser Stromübernahme liegt, einen Zündimpuls liefert.
8. 8. Eintakt-Gleiehspannungswandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (26) eine Zeitstufe ist, die eingangsseitig von den Zündimpulsen des zweiten Freilaufventils" (21) beaufschlagt ist.
9. 9. Eintakt-Gleiehspannungswandler nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer am Steuergerät (26) durch ein Stellsignal (s) einstellbar ist.
10. 10. Eintakt-Gleichspannungswandler nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß das Stellsignal (s) eine Steuerspannung ist, die in einem Regelkreis gebildet ist.

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11. 11. Eintakt-Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit einem Regler, der ein Steuersignal für den Schalter liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündimpulse für das erste Freilaufventil (20) in Abhängigkeit des vom Regler (32) gelieferten Steuersignals (U(32)) geführt sind.
12. 12. Eintakt-Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verteilerschaltung (33) vorgesehen ist, die eingangsseitig von einem Steuersignal (TJ( 32)) gespeist ist und ausgangsseitig ein Stellsignal (s) an das Steuergerät (26) des ersten Freilaufventils (20) abgibt, welches bis zu einem vorgegebenen Schwellwert (U-) des Steuersignals (U(32)) Null ist und danach mit steigendem Steuersignal (U(32)) proportional zu diesem ansteigt (Fig. 2).
13. 13. Eintakt-Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung (8) über ein weiteres Reihenventil (15z) und eine.weitere Drosselspule (16z) mit einer Batterie'(38) verbunden ist, daß der Reihenschaltung aus Sekundärwicklung (8) und weiterem Reihenventil (15z) ein weiteres erstes steuerbares Freilaufventil (20z) und daß der Reihenschaltung aus weiterer Drosselspule (16z) und Batterie (38) ein in Richtung des Ladestroms (1(28)) gepoltes weiteres zweites Freilaufventil (21z) parallel geschaltet ist (Fig. 5).
14. 14· Eintakt-Gleichspannungswandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere zweite Freilaufventil (21z) steuerbar ist.
15. 15. Eintakt-Gleichspannungswandler nach Anspruch 12 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß als weitere steuerbare Frei lauf ventile (20z, 21z) Thyristoren vorgesehen sind.
16. 16. Eintakt-Gleichspannungswandler nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Reihenventil (15z) steuerbar ist.

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17. 17. Verfahren zum Betrieb des Eintakt-Gleichspannungswandlers nach einem der Ansprüche 2 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß pro Periode das erste und zweite steuerbare Freilauf-"ventil (20, 21} gemeinsam zu einem Zeitpunkt (t(20) = t(2i)) gezündet werden, an dem die negative Spannung (U(8)) an der Sekundärwicklung (8) des Transformators (7) betragsmäßig einen vorgegebenen Grenzwert (U*) überschreitet, der über dem Wert der Versorgungsgleichspannung (U) der GleiehspHnnungsquelle (2) liegt.
18. 18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß zur Veränderung der Ausgangsgleichspannung (U(18)) das Einschal tverhältnis (a/T) des Schalters verändert wird und die Zeitpunkte (t(20) = t(2i)), an denen die !Freilaufventile (20, 21) gemeinsam gezündet werden, konstant gehalten werden.
19. 19· Verfahren zum Betrieb des Bintakt-Gleichspannungswandlers nach einem der Ansprüche 2 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß pro Periode das zweite steuerbare Freilaufventil (21) zu einem Zeitpunkt (t(2i)} gezündet wird, an dem die negative Spannung (U(8)) an der Sekundärwicklung (8) des Transformators (7) betragsmäßig einen vorgegebenen Grenzwert (U*) überschreitet, der über dem Wert der Versorgungsgleichspannung (U) der Gleichspannungsquelle (2) liegt, und daß anschließend das erste steuerbare Preilaufventil (20) zu einem Zeitpunkt (t(20)), der eine vorgegebene Zeitdauer nach diesem Zeitpunkt (t(2i)) liegt, gezündet wird.
20. 20. Verfahren nach Anspruch 19» dadurch gekennzeichnet, daß zur Veränderung der Ausgangsgleichspannung (U(18)) das Einschaltverhältnis (a/T) des Schalters konstant gehalten ist, daß der Zeitpunkt (t(2i)) zur Zündung des zweiten Preilaufventils (21) fest vorgegeben ist, und daß der Zeitpunkt (t(20)) zur Zündung des ersten Freilaufventils (20) verändert wird.

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