DE2401596B2 - Eintakt-gleichspannungswandler zur impulssteuerung der spannung an einer induktiven last sowie verfahren zu seinem betrieb - Google Patents

Description

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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 Ausgangsgleichspannung kann hierbei vorgesehen sein, daß das Einschaitverhältnis des Schalters konstantgehalten ist, daß der Zeitpunkt zur Zündung des zweiten Freilaufventils 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 Bstriebsverfahren auf das andere überzugehen.

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

Fig. 1 einen Eintakt-Gleichspannungswandler mit zwei steuerbaren Freilaufventilen,

Fig. 2 ein Steuerdiagramm für den Eintakt-Gleichspannungswandler nach F i g. t,

F i g. 3 ein Spannungs-Zeit-Diagramm,

F i g. 4 ein weiteres Spannungs-Zeit-Diagramm und

Fig. 5 einen weiteren Eintakt-Gleichspannungswandler zur gleichzeitigen Speisung einer Last und einer Batterie.

Für gleiche Bauelemente werden in den Figuren dieselben Bezugszeichen verwendet.

Fig. 1 zeigt einen Eintakt-Gleichspannungswandler. der z. B. für die unterbrechungsfreie Stromversorgung eingesetzt werden kann. Eine Gleichspannungsquelle 2 der Versorgungsgleichspannung U, z. B. ein ungesteuerter Gleichrichter mit stark schwankender Ausgangsgleichspannung, 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 7 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 Gleichstromschalters, der noch eine Löscheinrichtung und eine Umschwingeinrichtung um faßt und prinzipiell beliebig ausgebildet sein kann. Dieser Schalter schaltet den über die Primärwicklung 6 fließenden Primärstrom periodisch ein und aus. 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 Löschdrossclspule 12 ist als Umschwingeinrichtung ein ungesteuertes Umschwingvemil 13 in Reihe mit einer Umschwingdrosselspule 14 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 Ende der Sekundärwicklung 8 angeschlossen. Zur Vermeidung von Sperrverlusten kann noch in Reihe mit diesem Freilaufventil 20 ein (nicht gezeigtes) ungesteuertes Ventil geschaltet sein.

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 U nahezu so groß ist wie die zulässige Sperrspannung des Hauptventiis 5, kann das zweite Freilaufventil 21 ungesteuert und als Halbleiterdiode ausgebildet sein.

Der Transformator 7 enthält noch eine Rückmagnetisicrungswicklung 22. Diese ist über eine Glättungsdrossel 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 Gleichspannungsquelie 2 über diese Rückmagnelisierungswicklung 22. die Glättungsdrossei 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 /(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, 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.

Das Steuergerät 27, das im wesentlichen ein Vergleichsglied oder einen Grenzwertmelder enthält, vergleicht einen Grenzwert U*, der über dem einfachen Wert der Versorgungsgleichspannung U der Gleich spannungsquelle 2 liegt, mit einer Spannung, die ein

Io

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 Fall als Potentiometer dargestellt ist. Als Spannung, die ein Maß für die negative Spannung U[8) an der Sekundärwicklung 8 ist, dient hier die Spannung U[IO) am Löschkondensator 10. Diese ist an dessen Klemmen 30, 31 abgegriffen. Damit gewährleistet ist, daß nur die positive Spannung M[IO) mit dem Grenzwert U* verglichen wird, ist eine Diode 29 am Eingang des Steuergeräts 27 vorgesehen. Diese sperrt die Weiterleitung einer negativen Spannung U[IO). Die Polarität der Spannung U[IO) ergibt sich aus den Ladungsvorzeichen am Löschkondensator 10 in Fig. 1. Wegen des Spannungsabgriffs am Löschkondensator 10 ist der Grenzwert L/^#so gewählt, daß er über dem Doppelten der Versorgungsgleichspannung U liegt. — In den Zündleitungen der Ventile 5,11,20,21 ist jeweils ein nicht näher bezeichneter Trenntransformator angeordnet.

Nach F i g. 1 ist weiter ein Regelkreis vorgesehen, der für die Konstanthaltung der Ausgangsgleichspannung U[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 Gleichstromschalter liefert, welches die Stromführungsdauer des Hauptventils 5 bestimmt. Der Regler 32. der einen Vcrgleicher enthält, bestimmt das Steuersignal U[32) durch Vergleich der Ausgangsgleichspannung U[18) mit einem Sollwert U⁴XiS), der an einem als Potentiometer dargestellten Sollwertgeber 43 abgegriffen ist. In Abhängigkeit dieses Steuersignals L^32) können sowohl die Zünd- und Löschimpulse des Hauptventils 5 als auch die Zündimpulsc für das erste steuerbare Freilaufventil 20 geführt werden. Eine Verteilerschaltung 33 sorgt dafür, daß das Steuersignal U[32) nach Maßgabe seiner Größe und damit nach Maßgabe der Abweichung der Ausgangsgleichspannung U[18) vom Sollwert entweder die Zündung des Hauptventils 5 oder die Zündung des ersten Freilaufventils 20 beeinflußt.

Die Verteilerschaltung 33 enthält zunächst die Reihenschaltung eines ersten Widerstandes 34 mit einer ersten Zenerdiode 35, die von dem Steuersignal U[32) beaufschlagt wird. Der Spannungsabfall an der ersten Zenerdiode 35 ist als Steuersignal ρ dem Steuersatz 25 zugeführt Die Verteilerschaltung 35 enthält weiter die Reihenschaltung eines zweiten Widerstandes 36 mit einer zweiten Zenerdiode 37. die ebenfalls von dem Steuersignal M[32) beaufschlagt wird. Die erste Zenerdiode 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 Zcnerspannung U, beider Zenerdioden 35, 37 sind gleich groß.

Zur Erklärung der Funktion der Verteilerschaltung 33 werde das Stcuerdiagramm in Fig.2 betrachtet Hier sind der Verlauf des Steuersignals ρ und des Stellsignals 5 in Abhängigkeit eines Steuersignals H32) graphisch ddrgestellt Bei niederem Steuersignal U[32), welches einer geringen Ausschaltdauer b und dami einer hohen Ausgangsspannung L{18) entspricht, steigt die durchge- '-> zogen eingezeichnete Steuerspannung ρ linear mit der Größe des Steuersignals M32), während das gestrichelt eingezeichnete Stellsignal s Null ist Dieser Bereich, in dem die Beziehung U< U[18) gilt, ist durch das Bezugszeichen I kenntlich gemacht. 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 Einsehaltverhältnisses a/(a + b) des Gleichstromschalters verändert.

Hat das Steuersignal U[32) die Größe der Zcnerspannung U, erreicht, welche als Schwellwert anzusehen ist, vertauschen sich die Verhältnisse. Die Zenerspannung U, ist so gewählt, daß dieses Vertauschen an der Stelle stattfindet, an der U[18)= U gilt. Bei wachsendem Steuersignal U[32) im Bereich 11, in dem die Beziehung U> U[18) gilt, nimmt somit das (gestrichelte) Stcllsignal .> linear mit dem Steuersignal U[32) zu, während das (durchgezogene) Steuersignal ρ auf einem Wert p₍, konstantgehalten wird. Mit anderen Worten: In diesem Bereich Il wird das Einschaltverhältnis a/(a + b) des Gleichstromstellers durch das Steuersignal ρ konstantgehalten, und die Zündung des ersten Freilaufventils 20 wird nach Maßgabe des Stellsignals s verändert.

Die Wahl des Arbeitspunktes im Steuerdiagramm nach F i g. 2 und damit die Wahl, ob die Ausgangsgleichspannung U[18) im Bereich I oder 11 liegt, wird durch Einstellung am Sollwertgeber 43 vorgenommen. Der Regelkreis sorgt dafür, daß die Ausgangsgleichspannung M18) auf dem eingestellten Arbeitspunkt konstantgehalten wird.

In den Fig.3 und 4 ist der Verlauf der Spannung U(A.B) zwischen den Punkten A und B an der Kathoden-Anoden-Strecke des zweiten Freilaufvenüls 21 in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt. Es wird davon ausgegangen, daß der Löschkondensaior 10 in F i g. 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.

Wird nun zu einem Zeitpunkt f(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 L{8) ist in F i g. 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 l(ll), der um die Einschaltdauer a nach dem Zündzeitpunkt ((5) liegt wird das l^öschventil 11 zwecks Einleitung der Löschung des Hauptventils 5 durch das Steuergerät 25 gezündet. Im allgemeinen wird der zeitliche Abstand zwischen zwei Löschzeitpunkten J(Il) konstantgchalien. Dieser zeitliche Abstand ist dann gleich der Periodendauer T = (a + b). Das Einsehaltverhältnis a/( + b) läßt sich durch Verschiebung der Zündzeitpunkte /(5) gegenüber den Löschzeitpunkten /(11) mittels des Steuersignals /j einstellen.

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

Diese Rückladung des Löschkondensators 10 wird im folgenden näher betrachtet: Im Löschzeitpunkt /(U) sind die Gleichspannungsquelle 2 und der Löschkondensator 10 in Reihe an die Primärwicklung 6 geschaltet. Die Spannung U(A,B) zwischen den Punkten .4 und B setzt sich daher aus der Eingangsgleichspannung U und einem Anteil zusammen, der als Sekundärspannung L{8) in der Sekundärwicklung 8 aufgrund dieser Reihenschaltung induziert wird. Diese Sekundärspannung L\S) ist bei einem Windungszahlverhältnis von 1:1, das im folgenden stets vorausgesetzt wird, gleich der Versorgungsgleichspannung iiplus der Kondensatorspannung

Mit abnehmender Ladung des Löschkondensators 10, also mit fortschreitender Rück'adung, verringert sich die Kondensatorspannung L(IO) und damit die induzierte Sekundärspannung L(8), so daß auch die Spannung U(A.B) abnimmt. Hat die Kondensatorspannung /-(10) den Wert Null erreicht, so wird die Sekundärspannung i.{8) = U, so daß zwischen den Punkten A und B die weiterreduzierte Spannung U(A.B) = 2U liegt. Ist die positive Kondensatorspannung L(IO) am rückgebdenen Löschkondensator 10 gleich der ilingangsgleichspannung U geworden, so sind die Gleichspannungsquelle 2 und der Löschkordensator !0 gegeneinandergeschaltet. Die Sekundärspannung L(8) ist jetzt gleich Null, und zwischen den Punkten A und B liegt die Spannung U(A.B) = U. also die einfache Versorgungsgleichspannung Ll.

Es wird weiter vorausgesetzt, daß die Freilaufventile 20 und 21 noch nicht gezündet werden, so daß der Laststrom /[18) juf keines dieser beiden Freilaufventilp 20 und 21 kommutieren kann. Daher wird der Löschkondensator 10 durch den von der induktiven Last 18 und der Drosselspule 16 gezogenen Strom weiter rückgeladen. Die Kondensatorspannung mo) des Löschkondensators 10 steigt also (mil der nicht eingezeichneten Polaritä?) weiter an. Hat sie zu einem Zeitpunkt /_o den Wert LZ(IO) = 2U erreicht, so hat die Sekundärspannung L(8) den Wert UlS) = — U angenommen. Die Sekundärspannung L(8) ist jetzt also ne gativ; sie hat jetzt eine andere Polarität als durch den Pfeil an der Sekundärwicklung 8 in Fig. 1 angedeutet. Die Spannung LI(A₁B) zwischen den Punkten A und ßist damit gleich Null. Dieser Zeitpunkt U, ist in den Fi g. 3 und 4 durch das Bezugszeichen f_o besonders kenntlich gemacht.

Bedeutsam ist, daß vom Zeitpunkt t_o an mit weiter fortschreitender Rückladung des Löschkondensators 10 über den Wert 1/(10) = 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 I₀ an Strom führen kann. Aus den Fig.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 Fig. 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 gesperrt bleibt und keinen Strom führt; diese beiden Betriebsfälle gehören nicht zum Gegenstand der Erfindung, sondern sollen nur zum Verständnis der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers beitragen. Der dritte Betriebsfall geht von einer gleichzeitigen Zündung beider Freilaufveniile 20, 21 aus, und der vierte Betriebsfall behandelt eine zeitversetzte Zündung beider Freilaufventile 20,21.

Betriebsfall 1

Nach Fig. 3 wird das zweite Freilaufventil 21 in einem einstellbaren Zeitpunkt i(21) gezündet, der nach dem Zeitpunkt /,, liegt. Dabei wird angenommen, daß bei der Zündung dieses zweiten Freilaufventils 21 das erste Freilaufventil 20 gesperrt ist. Die Zündung des zweiten Freilaufventils 21 erfolgt also zu einem Zeitpunkt /(21), an dem die positive Spannung L(IO) am Löschkondensator 10 den vorgegebenen Grenzwert U* überschreitet, welcher über dem doppelten Wert der Versorgungsgleichspannung Ll liegt. Dieser Grenzwert U* ist, wie durch den Grenzwertgeber 28 angedeutet, einstellbar, so daß auch der Zeitpunkt /(21) 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 Steuergerat 27 feststellt, daß die Bedingung (./(8) = U*> IU erfüllt ist, gibt es einen Zündimpuls an das steuerbare Freilaufventil 21 ab. In diesem Augenblick geht die Spannung U(A.B) nach Fig. 3 auf null Volt, und die Rückladung des Löschkondensators 10 durch den Primärstrorr¹. wird sehr schnell beendet. Der Zeitpunkt /(21) wird mittels des Grenzwertes U* so gewählt, daß der Löschkondensator 10 in diesem Augenblick auch bei der niederen Versorgungsgleichspannung U ausreichend überladen ist. Die Spannung U(A,B) verbleibt auf dem Wert Null, bis zum nächsten Zeitpunkt /(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 Sekundärstrom durch die Sekundärwicklung 8 kann während dieser Zeitdauer nicht fließen. Der angegebene Spannungsverlauf U(A.B, ist in Fig. 3 mit einem durchgezogenen Kurvenverlaul eingezeichnet.

Betriebsfall 2

Nach F i g. 3 wird nun anstelle des zweiten Freilauf ventils 21 das erste Freilaufventil 20 gezündet DU Zündung erfolgt durch das Steuergerät 26 in einen einstellbaren Zeitpunkt /(20), der nach dem Zeitpunkt f, liegt Dabei wird angenommen, daß bei der Zündung de; ersten Freilaufventils 20 das zweite Freilaufventil 21 gesperrt ist Die Zündung des ersten Freilaufventils wire also auch zu einem Zeitpunkt /(20) vorgenommen, ai dem die positive Spannung U[IO) am Löschkondensatoi 10 einen nicht näher bezeichneten Grenzwert über schreitet, der über dem doppelten Wert der Versor gungsgleichspannung U liegt Dieser Grenzwert win als einstellbar angenommen; er soll kleiner als de Grenzwert U* sein. Der Zeitpunkt t(2ß) liegt also in Beispiel nach Fig.3 enger am Zeitpunkt t_o als de Zeitpunkt /(21).

Wenn das erste Frailaufventil 20 am ZeitDunkt /(20

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gezündet wird, überbrückt es die Reihenschaltung von Sekundärwicklung 8 und Reihenventil 15. Die Sekundärwicklung 8 kann daher fortan keinen Beitrag mehr zur Spannung ί 1(A.B) liefern, die nach dem punktgestrichenen Verlauf in F i g. 3 plötzlich auf den einfachen Wert S der Versorgungsgleichspannung U angehoben wird. Sie behält diesen Wert bei, bis im Zeitpunkt r[5) das Hauptventil 5 gezündet wird. Während dieses Zeitraums kann der Laststrom /(18) auf dem Kreiswege A. 16, 17, 18, 19, B. 4, 2, 3 und 20 fließen. Bemerkenswert ist, daß der Mittelwert U„JA.B) dieser Spannung U(A,B) über dem Wert der Versorgungsgleichspannung () liegt. Das ist in Fig. i durch eine strichpunktierte waagerechte Gerade hervorgehoben.

Betriebsfall 3

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Die Spannung U(A,B) ist ein Maß für die Ausgangsgleichspannung M IJi) an der Last 18. Für den Fall, daß diese Ausgangsgleichspannung U(\S) 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 i(20) = 1(.¹I) rundet. Die Zeitpunkte /(20) und /(21) in F 1 g. 3 fallen also zusammen. Zur Veränderung des Mittelwertes U_nJA.B) und damit der Ausgangsgleichspannung U[18) wird der gemeinsame Zündzei punkt /(20 = /(21) auf einen Wert im Bereich zwischen dem Zeitpunkt f., und dem Zeitpunkt ((5) konstantgehalten. Das Einschaltverhältnis .i/Tdes Gleichstromstellers wird dabei verändert. Es bestimmt die Höhe der Ausgangsgleichspannung M[18). Dieses Betriebsverfahren entspricht einem veränderlichen Arbeitspunkt im Bereich 1 im Steuerdiagramm von F i g. 2.

Betriebsfall 4

Aus Fig. 4 geht hervor, daß für den Fall, daß die Ausgangsgleichspannung ί.^18) kleiner sein soll als die Versorgungsgleichspannung Ll. die Zeitpunkte /(21) und /(20) verschieden gewählt werden müssen. Hierbei wird so vorgegangen, daß das Einschahverhältnis a/(a + b) kleiner gewählt wird als im Betriebsfall 3. Zunächst wird das zweite steuerbare Freilaufventil 21 gezündet, und zwar zu einem Zeitpunkt i(21), an dem die positive Spannung L{10 ) am Löschkondensator 10 betragsmäßig den vorgegebenen Grenzwert U* überschreitet. Danach wird das erste steuerbare Freilaufventil 20 gezündet, und zwar zu einem Zeitpunkt /(20), der eine vorgegebene Zeitdauer nach dem erstgenannten Zeitpunkt /(21) liegt. Zur Veränderung des Mittelwerts U_nJA₁B), der als punktierte Gerade in F i g. 4 eingezeichnet ist und damit zur Veränderung der Ausgangsgleichspannung H18) wird hier das Einschaltverhältnis a/(a + b) konstantgehalten, der Zeitpunkt f(21) zur Zündung des zweiten Freilaufventils 21 periodisch fest vorgegeben und der Zeitpunkt i(20) zur Zündung des ersten Freilaufventils 20 verändert Diese Veränderung wird mittels des Stellsignals s am Steuergerät 26 nach F i g. 1 bewirkt Dieses Betriebsverfahren entspricht einem veränderlichen Arbeitspunkt im Steuerdiagramm von Fig.2. — Selbstverständlich ist ein Übergang zwischen den Betriebsfällen 3 und 4 möglich.

In Fig. 5 ist der bereits in F i g. 1 gezeigte Eintakt-Glcichspannungswandler durch einige Bauelemente ergänzt worden. Es handelt sich dabei um einen weiteren Lastkreis, der entsprechend demjenigen in F i g. 1 aufgebaut ist. Die einzelnen entsprechenden Bauelemente sind durch einen Zusatz »z« gekennzeichnet.

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

Die I iinktion dieser mit dem Zusatz »/« versehenen •Visgang^chaitung ist dieselbe wie diejenige der bereits erläuterten Ausgangsschaltung. Beide Ausgangsschaltungen können dabei mit einem eigenen Regelkreis entsprechend demjenigen in Fi g. 1 versehen sein. Es ist jedoch möglich, an den beiden Lnsien 18. 38 unterschiedliche Ausgangsgleichspannungen ί ^ 18) und H38) /π erzeugen. Insbesondere ist es möglich, die Ausgai'.gsgleichspannung <{18) größer und die Ausgangsgleichspannung L\y&) kleiner als ii l Versnrgungsgleichspannung {/zu hallen. Dadurch ist es möglich, die Last 18 im Normalbetrieb mit einer gesteuerten oder geregelten Ausgangsgleichspannung i^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 $8 anstelle dieser Gleichspannungsquelle 2 an den Eingang des Eintakt-Gleichspannungswandlers (mittels nicht gezeigter Umschahvorrichtungen) geschaltet und somit zur Aufrechterhaltung der Spannungsversorgung an der Last 18 herangezogen werden. Der Eintakt-Gleichspannungswandler nach F i g. 5 stellt somit eine Notbereitschaftsanlage dar.

Abschließend sei noch darauf hingewisen, daii als weiteres Reihenventil 15/insbesondere ein steuerbares Ventil, z. B. ein Thyristor, verwendet wird. Mit einem steuerbar ausgeführten Reihenventil 15z läßt sich eine besonders niedrige Ausgangsgleichspannung L^38 erzeugen. Dieses Reihenventil 15z wird zum Zeitpunk / (5) zusammen mit dem Hauptventil 5 oder nach diesen gezündet Dadurch wird die Stromführungsdauer de: Reihenventils 15z auf ein Minimum reduziert, da: kleiner als die Stromführungsdauer a des Hauptventils'. sein kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichminecn

Claims (14)

Patentansprüche:

1. Eintakt-Gleichspannungswandler zur Impulssteuerung der Spannung an einer induktiven Last mit einem Transformator mit einer Primärwicklung. die über einen periodisch betätigten Schalter an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, wobei der Schalter aus einem gesteuerten Hauptventil and einem dazu parallelgeschalteten, einen Löschkondensator und ein steuerbares Ventil enthaltenden Löschzweig gebildet ist, mit einer Sekundärwicklung, deren eines Ende über ein in Richtung des Laststroms gepoltes Reihenventil und eine Drosselspule mit der einen Anschlußklemme der Last verbunden und deren anderes Ende an die eine Klemme der Gieichspannungsquelle angeschlossen ist. wobei die Sekundärwicklung entsprechend dem Durchflußwandlerprinzsp gepolt ist und wobei die andere Anschlußklemme der Last mit der anderen Klemme der Gleichspannungsquelle verbunden ist, und mit einem ersten Freilaufventil, das der Reihenschaltung aus Sekundärwicklung und Reihenventil in Richtung des Laststroms gepolt parallel geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Freilaufventil (20) steuerbar ausgeführt :s ist, daß der Reihenschaltung aus Drosselspule (16) und Last (18) ein in Richtung des Laststroms (^18)) gepoltes zweites Freilaufventil (21) parallel geschaltet ist und daß zur Zündung des ersten steuerbaren Freilaufventils (20) ein Steuergerät (26) vorgesehen ist. welches zu einem einstellbaren Zeitpunkt (/(2O)), der frühestens im Zeitpunkt (f(21)) der Stromübernahme des zweiten Freilaufventils (21) liegt, einen Zündimpuls liefert.

2. Eintakt-Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Freilaufventil (21) steuerbar ist.

3. Einiakt-Gleichspannungswandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zündung des zweiten steuerbaren Freilaufventils (21) ein Steuergerät (27) mit einem Vergleichsglied vorgesehen ist, dem e^;n Grenzwert (U*), der über dem Wert der Versorgungsgleichspannung (U)der Gleichspannungsquelle (2) liegt, und eine Spannung, die ein Maß für die negative Spannung (t^8)) an der Sekundärwicklung (8) ist, vorgegeben ist und das bei Überschreiten des Grenzwertes (U*) durch diese Spannung (L{$)) einen Zündimpuls liefert.

4. Eintakt-Gleichspannungswandler nach Anspruch 3, dadurch gek ennzeichnet, daß die Spannung so (L^lO)) am Löschkondensator (10) als Maß für die negative Spannung (¹J(S)) an der Sekundärwicklung (8) abgegriffen ist.

5. Eintakt-Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (2B) für das erste steuerbare Freilaufventil (20) eine durch ein Stellsignal (s) einstellbare Zeiistufc ist, die eingangsseitig von den Zündimpulsen des zweiten Freilaufventils (21) beaufschlagt ist. w

6. Eintakt-Gleichspcinnungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis fi mit einem Regler, der ein Steuersignal für den Schalter liefert, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Zündimpulse für das erste Freilaufventil (20) in Abhängigkeit des vom *>Regler (32) gelieferten Steuersignals (£^32)) geführt sind.

7. Eintakt-Gleich'pannungswandler nach ?inem

der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verteilerschaltung (33) vorgesehen ist, die eingangEseiüg von einem Steuersignal (L{32)) gespeist ist, die ausgangsseitig em StellsignalI^ an das Steuergerät (26) des ersten Fre.laufventils (20) abEibt welches bis zu einem vorgegebenen Schwell- wer(UJ des Steuersignals (L<32)) Null ist und danach mit steigendem Steuersignal (φ2)) linear ansteigt und die ausgangsseitig auch eine Steuersoannung (p) an den Steuersatz (25) des Schalters absib" welche bis zu dem vorgegebenen Schwellwert (U₁) proportional mit dem Steuersignal (L{32)) Sigt und dVnach konstant bleibt (F i g. 2>

8 Eintakt-Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung (8) über e.n 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) e.n in Richtung dt=. Ladestroms (\2%)) gepoltes weiteres zweites Freilaufventil (21z; parallel geschaltet ist (Fig 5)

9 Eintakt-Gleichspannungswandler nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß das weitere zweite Freilaufventil (21z;steuerbar ist.

10 Eintakt-Gleichspannungswandler nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Reihenventil (15z;steuerbanst.

11 Verfahren zum Betrieb des hmtakt-Gleichspannungswandlers nach einem der Ansprüche 2 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß pro Periode das erste und zweite steuerbare Freilaufventil (20 21) gemeinsam zu einem Zeitpunkt (/(20) = /(2I)) gezündet werden, an dem die negative Spannung i[U(S)) an der Sekundärwicklung (8) des Transforma-Kors (7) betragsmäßig einen vorgegebener"Grenzwert (U*) überschreitet, der über dem Wert der Versorgungsgleichspannung (U) der Gieichspannungsquelle (2) liegt.

12 Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet daß zur Veränderung der Ausgangsgleichspannung (L(18)) das Einschaltverhältnis fa/7? des Schalters verändert wird und die Zeitpunkte i'rf20) = <21)), an denen die Freilaufventile (20, 21) gemeinsam gezündet werden, konstantgehalten

werden. , .

13. Verfahren zum Betrieb des Eintakt-Gleichspannungswandlers nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß pro Penode das zweite steuerbare Freilaufventil (21) zu einem Zeitpunkt (/(2I)) gezündet wird, an dem die negative Spannung (U(S)) 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 Freilaufventil (20) zu einem Zeitpunkt (/(2O)), der eine vorgegebene Zeitdauer nach diesem Zeitpunkt (/(2I)) liegt, gezündet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Veränderung eier Ausgleichsspannung (0(18)) das Einschaltverhältnis (a/T) des Schalters konstanthalten ist, daß der Zeitpunkt (/(2I)) zur Zünduni; des weiten Freilaufventils (21)

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fest vorgegeben ist, und daß der Zeitpunkt (<(20)) zur Zündung des ersten Freilaufventils (20) verändert wird.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Eintakt-Gleichspannungswandler zur Impulssteuerung der Spannung an einer induktiven Last, mit einem Transformator mit einer Primärwicklung, die über einen periodisch betätigten Schalter an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, wobei der Schalter aus einem gesteuerten Hauptventil und einem dazu parallelgeschalteten, einen Löschkondensator und ein steuerbares Ventil enthaltenden Löschzweig gebildet ist, mit üner Sekundärwicklung, deren eines Ende über ein in Richtung des Lasfitroms gepoltes Reihenventil und eine Drosselspule mit der einen Anschlußklemme der Last verbunden und deren anderes Ende an die eine Klemme der Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, wobei die Sekundärwicklung entsprechend dem Durchflußwandlerprtnzip gepolt ist und wobei die andere Anschlußklemme der Last mit der anderen Klemme der Gleichspannungsquelle verbunden ist, und mit einem ersten Freilaufventil, das der Reihenschaltung aus Sekundärwicklung und Reihenventil in Richtung des Laststroms gepolt parallel geschaltet ist. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Betrieb des Eintakt-Gleichspannungswandlers.

Aus der DT-AS 12 67 322 ist ein Eintakt-Gleichspannungswandler nach dem Durchflußwandlerprinzip zur Impulssteuerung de·- Spannung an einer Last bekannt, mit einem Transformator mit einer Primärwicklung, die über einen periodisch Deiätigten Schalter an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, wobei der Schalter aus einem gesteuerten Hauptventil, insbesondere einem Thyristor, und einem dazu parallelt--'schalteten, einen Löschkondensator und ein steuerbares Ventil, insbesondere einen Thyristor, enthaltenden Löschzweig gebildet ist, und mit einer Sekundärwicklung, deren eines Ende über ein in Richtung des Laststroms gepoltes Reihenventil und eine Drosselspule mit der einen Anschlußklemme der Last verbunden ist. Das andere Ende der Sekundärwicklung ist an die andere Anschlußklemme der Last angeschlossen. Der Eintakt-Gleichspannungswandler enthält ferner ein Freilaufventil, das der Reihenschaltung aus Sekundärwicklung und Reihenventil und damit zugleich der Reihenschaltung aus Drosselspule und Last parallel geschaltet ist. Ein solcher Eintakt-Gleichspannungswandler wird zur Umformung einer festen Versorgungsgleichspannung in eine Ausgangsgleichspannung von veränderlicher Höhe verwendet. Als Freilaufventil ist eine Diode verwendet.

Ein solcher Eintakt-Gleichspannungswandler hat den Nachteil, daß der Schalter für die gesamte von der Last aufgenommene Leistung zu bemessen ist.

Der eingangs genannte, additiv wirkende Eintakt-Gleichspannungswandler ist im Handel als Bestandteil eines Siemens-Umrichters zur unterbrechungsfreien Stromversorgung von EDV-Anlagen vor dem Anmeldetag erhältlich gewesen und damit als bekannt anzusehen. Bei diesem Eintaki-Gleichspannungswandler ist gegenüber der Ausführungsform nach der DT-AS 12 67 322 das andere Ende der Sekundärwicklung an die positive Klemme der Gleichspannungsquelle angeschlossen: weiter ist die andere Anschlußklemme der Last mit der

negativen Klemme der Gleichspannungsquelle verbunden. Das Freilaufventil liegt nur parallel zu der Reihenschaltung aus Sekundärwicklung und Reihenventil und ist ungesteuert Dieser Eintakt-Gleichspannungswandler hat den Vorzug, daß der Schalter im Hinblick auf seine Schaltleistung nur auf einen Wert auszulegen ist, der erheblich unter der Leistung an der Last liegt Bei diesem Wandler ist jedoch, was als Nachteil angesehen wird, die Ausgangsgleichspannung auf einen Wertebereich festgelegt, der über dem Wert der Versorgungsgleichspannung liegt Für manche Anwendungsfälle ist es aber erwünscht, daß am Ausgang des Eintakt-Gleichspannungswandlers eine Ausgangsgleichspannung wahlweise mit einem größeren oder einem niederen Wert als die Versorgungsgleichspannung zur Verfugung steht

Schließlich ist es aus der DL-PS 68 553 bereits bekannt, bei einem Gleichstrompulssteller ein steuerbares Freilaufventil zu verwenden. Dieses ist parallel zur Reihenschaltung aus Drosselspule und Last geschaltet. Es dient zur Steuerung der Ladespannung des Löschkondensators.

Aufgabe der Erfindung ist es, den eingangs genannten Eintakt-Gleichspannungswandler so auszugestalten, daß seine Ausgangsgleichspannung in einem Bereich eingestellt werden kann, der sich von einem Wert unterhalb bis zu einem Wert oberhalb der Versorgungsgieichspannung erstreckt, wobei seine Schaltleistung nach wie vor reduziert sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das erste Freilaufventil steuerbar ausgeführt ist, daß der Reihenschaltung aus Drosselspule und Last ein in Richtung des Laststroms gepoltes zweites Freilaufventil parallel geschaltet ist, und daß zur Zündung des ersten steuerbaren Freilaufventils ein Steuergerät vorgesehen ist, welches zu einem einstellbaren Zeitpunkt, der frühestens im Zeitpunkt der Stromübernahme des zweiten Freilaufventils liegt, einen Zündimpuls liefert.

Hierbei ist das zweite Freilaufventil vorzugsweise ebenfalls steuerbar ausgeführt.

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 pro Periode 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 Finschaltverhältnis des Schalters verändert wird und die Zeitpunkte, an denen die Freilaufventile gemeinsam gezündet werden, periodisch konstantgehalten werden.

Ein Verfahren zum Betrieb des Eintakt-Gleichspannungswandlers, bei dem man eine Ausgangsgleichspannung erhält, deren Höhe unter dem Wert der Versorgungsgleichspannung liegt, zeichnet sich erfindungs>!i'inäß dadurch aus, daß pro Periode das zweite sice arc Freilaufventil zu einem Zeitpunkt gezündet