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"Schaltungsanordnung zur Aufladung eines Energiespeichers auf eine
Gleichspannung" Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Aufladung eines
Energiespeichers auf eine einen vorgegebenen Größenwert aufweisende Gleichspannung
aus einer Gleichspannungsquelle, mit einem aus einem von der Gleichspannungsquelle
betriebenen Transistorwechselrichter in DIittelpunktschaltung mit einem Transformator
und einem den Energiespeicher einspeisenden Gleichrichter bestehenden Gleichspannungsumrichter,
bei welchem den Transistoren des Wechselrichters je eine Gleichrichterdiode gegenparallelgeschaltet
ist.
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Es sind Schaltungsanordnungen mit einem Gleichspannungsumrichter der
vorangehend beschriebenen Art zum Beispiel durch DU-AS 1 588 779 bekannt, wonach
ein Gleichspannungsumrichter zur Erzeugung einer potentialfreien Betriebsgleichspannung
für einen Regelumsetzer eines Schttreglers in einem Leistungsstromkreis zur Konstantregelung
der Spannung einer Gleichstromlast vorgesehen ist.
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Ferner ist durch die D2-AS 1 763 673 eine Spannungsregelschaltung
für eine aus einer Wechselspannung über einen Gleichrichter gewonnene Gleichspannung
bekannt, ebenfalls mit einem Gleichspannungsumrichter, welcher in einem Leistungsstromkreis
zur galvanischen Trennung der aus der Regelschaltung gespeisten Verbraucher von
in einem weiten Spannungsbereich veränderlichen Spannungsquellen vorgesehen ist
und mit hoher Schaltfrequenz arbeitet.
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Hingegen liegt der Erfindung, wie eingangs erläutert, die Aufgabe
zugrunde, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, mit welcher ein Energiespeicher,
zum Beispiel ein Kondensator, auf eine Gleichspannung gewünschter Höhe aufzuladen
ist, wobei während des ganzen Ladungsvorganges ein mit konstant bleibender Amplitude
pulsierender Ladegleichstrom dem Gleichspannungsumrichter entnommen wird und der
Gleichspannungsumrichter am Schluß der Aufladung automatisch stillgesetzt wird.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch zu lösen, daß bei dem Gleichspannungsumrichter
die Primärwicklung des Transformators aus zwei galvanisch getrennten aber magnetisch
verketteten Wicklungssträngen besteht, welche durch eine mit einem Mittenabgang
zur Gleichspannungsquelle versehenen Saugdrossel miteinander in Reihenschaltung
verbunden sind und an den freien Enden mit den Kollektoren der Wechselrichtertransistoren
verbunden sind und daß ein im Gegentakt pulsierender, die zwei Wechselrichtertransistoren
über zwei Und-Gatter bei mit zunehmender Spannung des Energiespeichers abnehmender
Pulsfrequenz und mit im Vergleich zur Zeitkonstante der Saugdrossel kurzen Schaltzeiten
schaltender Spannungs-Freauenz-Umsetzer verwendet ist, der Eingang dieses Umsetzers
mit dem Istspannungs-Eingang eines Komparators verbunden ist und ein bei beendeter
Aufladung
des Energiespeichers entstehendes Signal des Komparators,
mittels eines nachgeordneten Start-Stop-Flip-Flops in ein Sperrsignal umgesetzt,
den Und-Gattern zugeführt ist.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ;,eist der Transformator
s Gleichspannungsumrichters ein er vorgegebenen Aufladungsschlußspannung des Energie
speichers und der Spannung der Gleichspannungsquelle angepabtes bbersetzungsverhältnis
auf.
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Das übersetzungsverhältnis kann zur Anpassung ziemlich groß gewählt
werden, damit die Ladeschaltung, enn die Spannung der Gleichspannungsquelle bz-çX.
die Eingangsgleichspannung des Umrichters verhältnismäßig niedrig ist, auch zur
Aufladung z. B. eines Kondensators auf eine hohe Gleichstannung zu verwenden ist.
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Vorteile der Eilndung werden darin gesehen, daß bei Eurzschlüssen
des Energiespeichers auf der Hochspannungsseite des Gleichspannungsumrichters die
Ladeschaltung durch ihr Konstantstromverhalten eigensicher ist.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung mit einem Beispiel,
nämlich der Aufladung eines Hochspannungskondensators, näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung, Fig. 2 Diagramm der Steuerimpulse
des Spannungs-Frequenz-Umsetzers und der Wechselrichterströme Fig. 3 ein Diagramm
der Spannungs-Frequenz-Eennlinie der Ladeschaltung Nach der Fig. 1 setzt sich eine
Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung zunächst wie eingangs erläutert zusammen
aus einem an einer Gleichspannungsquelle Q mit einem parallelgeschalteten Kondensator
C betriebenen Gleichspannungsumrichter
1 und einem als Energiespeicher
2 dienenden Hochspannungskondensator am Ausgang des Umrichters 1. Der Gleichspannungsumrichter
enthält einen Wechselrichter 12 mit zwei Transistoren 121 und 122 und einen Transformator
10 in Hittelpunktschaltung, bei welchem die Primärwicklung aus zwei galvanisch getrennten,
aber magnetisch verketteten Wicklungssträngen 101 und 102, welche durch eine mit
einem Mittenabgang M zu dem positiven Pol von < versehene Saugdrossel 11 miteinander
in Reihe geschaltet sind und an den freien Enden E 101 und E 102 der Vicklungsstränge
mit den Kollektoren der Transistoren 121 und 122 des Wechselrichters 12 verbunden
sind. Ferner enthält der Umrichter 1 einen an der Sekundärwicklung des Transformators
10 angeschlossenen, den Energiespeicher 2 einspeisenden Gleichrichter in Brückenschaltung.
Des weiteren setzt sich nach Fig. 1 diese Schaltungsanordnung zusammen aus einem
Spannungs-Frequenz-Umsetzer 3 mit einem pulsierenden, die zwei Transistoren des
Wechselrichters 12 über Und-Gatter 13 im Gegentakt ansteuernden, Frequenz-Ausgang.
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Von einem hochohmigen Spannungsteiler 21 des Energiespeichers 2 ist
ein bestimmter Teil der gespeicherten Hochspannung U2 dem Spannungseingang des Umsetzers
3 und dem Istspannungs-Eingang eines Spannungskomparators 4 zugeführt.
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Dem Sollspannungs-Eingang des Komparators 4 ist eine der vorzugebenden
Aufladungsschlußspannung U25 des Energiespeichers 2 entsprechende Referenzspannung
zugeführt. Wird bei der Aufladung des Energiespeichers die vorgegebene Aufladungsschlußspannung
erreicht, so wird am Ausgang des Komparators 4 ein Signal gebildet und als Stop-Signal
einem der zwei Eingänge eines sogenannten Start-Stop-Flip-Flop 5 zugeführt. Mittels
des Flip-Flop 5 wird das Stop-Signal in ein Sperrsignal für das Und-Gatter 13 umgesetzt,
welches aus zwei Und-Gater-Stufen 131 und 132 zusammengesetzt ist, die in den zwei
von dem Frequenz-Ausgang des Umsetzers 3
ausgehenden und zu den
Basiselektroden der Wechselrichtertransistoren 121, 122 führenden Steuerungskanälen
liegen.
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Durch das Sperrsignal werden mittels der Gatter-Stufen 131 und 132
die Steuerungskanäle zu den Transistoren des Wechselrichters 12 Öesternt und der
.Schselrichter wird stillgesetzt. Das Sperrsignal kann zur Signalisierung des Betriebszustands
des Gleichspannungsumsetzers 3 ausgenutzt werden.
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Ein dem zeiten Eingang des Start-Stop-nlip-Flo 5 zugeführtes Signal
wird als Startsignal zur Inbetriebsetzung des Wechselrichters verwendet.
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Den zwei Transistoren des Wechselrichters 12 ist je eine als Blindstronpfad
verwendete Gleichrichterdiode 12) und 124 gegenparallel geschaltet.
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Nachstehend ist die Wirkungsweise der vorangehend beschriebenen Schaltungsanordnung
dargelegt, wobei auch auf die Fig. 2 und 3 Bezug genommen wird.
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Ist durch ein dem zweiten Eingang des Flip-Flop 5 zageführtes Startsignal
der Wechselrichter 12 einmal in Betrieb gesetzt und ist die Spannung U2 des Energiespeichers
2 noch nicht auf den durch die dem Sollspannungs-Eingang des Komparators 4 zugeführte
Referenzspannung vorgegebenen Aufladungsschlußspannungswert angestiegen, so liegt
ein durch den Spannungsteiler 21 festgelegter Teil der ansteigenden Spannung U2
am Eingang des Spannungs-Frequenz-Umsetzers 7 an. Diese Eingangsspannung wird in
zwei am Frequenz-Ausgang des Umsetzers erscheinende und in den zwei durch die Und-Gatter
131, 132 geführten Steuerungskanälen weitergeleitete periodische und im Gegentakt
phasenversetzte Impulszüge rechteckförmiger Steuerimpulse umgesetzt, welche in den
Diagrammen a) und b) der Fig. 2 dargestellt sind. Die Transistoren des Wechselrichters
12 werden durch diese Steuerimpulse im Gegentakt abwechselnd stromleitend geschaltet
und wieder gesperrt.
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Es ist ein Umsetzer 3 mit einem nahezu linear gegenläufigen Umsetzungsverhalten
verwendet, so daß die Folgefrequenz f der Steuerimpulse mit ansteigender und zunehmender
Spannung U2 niedriger wird. Ferner sind im wechselstromkreis des Wechselrichters
12 und Primärkreis des Transformators 10 sowie auch im Sekundärkreis desselben die
Induktivität L der Saugdrossel 11 einschließlich der nur geringen Streuinduktivitäten
des Transformators und die ebenfalls gering gehaltenen Verlustwiderstände RCU so
gewählt, daß die Zeitkonstante L groß ist im Vergleich zur Breite der Steuer-RCu
impulse und somit zur Schaltzeit der Transistoren 121, 122.
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Unter diesen Voraussetzungen steigen die impulsförmigen Kollektorströme
i121 und i122 stets linear an und sie erhalten bei gleichbleibenden Schaltzeiten
der Transistoren 121 und 122 auch gleichhoch bleibende Amplituden. Der Stromanstieg
von i121 und i122 wird flacher je höher die Spannung U2 wird. Den Diagrammen c)
und d) ist auch zu entnehmen, daß infolge der Entmagnetisierung der Saugdrossel
nach jeder Sperrung des Transistors 121 der Strom aus der 5augdrossel 11 über die
Diode 124 und den zwei zuvor stromfreien Strängen 102 und 112 der Primärwickizig
des Transformators 10 und der Saugdrossel 11 in der gleichen Richtung weiterfließt.
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Entsprechend fließt nach jeder Sperrung des Transistors 122 der Strom
aus der Saugdrossel über die Diode 123 und die Stränge 101 und 111 weiter. Hit diesen
Strömen fließt ein Teil der Energie der Gleichspannungsquelle e in den Kondensator
C zurück.
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Der Verlustwiderstand ROU insgesamt ist nach Möglichkeit klein zu
halten. Zur Dimensionierung der Schaltung nach Fig. 1 kann von den drei vorzugebenden
Größenwerten Kapazität C2 und Aufladeschlußspannung U2 sowie auch der Aufladezeit
des Energiespeichers 2 ausgegangen werden, wodurch nach der
Beziehunz
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die halbe Amplitude oder der arithmetische Mittelwert des mittels
des Gleichrichters 14 in Brückenschaltung gleichgerichteten sägezahnförmigen Aufladestremes
i festgelegt ist. Nun sind aber bei einem -.lechselrichter (12) in Mittelpunktschaltung
Transistoren (121, 122) mit einer zulässigen Kollektorspannung Ucc größer oder gleich
der zweifachen Quellenspannung U zu verwenden, so daß sich für das Übersetzungsverhältnis
ü eine untere Grenze durch die Ungleichung
Die Bemessung der Saugdrossel 11 läßt sich von den Bedingungen bei nicht geladenem
EnergiesLeicher (U2=0) und von einer durch die Schaltkreiselemente des echselrichters
12 und des Transformators 10 festgelegte obere Grenze fRax der Schaltfrequenz ausgehend
finden. Bei U2 = 0 ist der Ånstieg der Ströme i121 und i122 am größten und so steil
wie der Anstieg der Ströme in den Dioden 125 und 124 (i123 und i124 nach Diagramm
c) und d) der Fig. 2). Der gleichgerichtete Aufladestrom ist dann dreieckförmig.
Sind ferner die Stromfluß- oder Schaltzeiten t121 t122, t123, t124 gleichlang (die
ohmschen Verluste sind dann vernachlässigbar gering angenommen), so bestimmt sich
die Induktivität L der (3,, ) halben Saugdrossel 11 z. B. aus
Weil voraussetzungsgemäß
angesetzt werden kann, wird
Mit schrittweise zunehmender Ladung und Spannung U2 werden nun aber die Anstiege
der Ströme i121, i122 flacher und die
bchaltzeiten t121, t122 erden
länger. Das Umsetzungsverhalten des Umsetzers 5 ist daher so auszubilden, daß dabei
die Ausgangsfrequenz und die Breite der Steuerimpulse für die Transistoren 121 und
122 entsprechend niedriger bzT-U.
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länger wird, so daß die Amplituden i121 und i122 der Transistorströme
unabhängig von U gleichhoch bleiben. Sonach wird während der Aufladung von 2 der
Aufladestrom, gleichgerichtet (i) oder nicht gleichgerichtet (1/u), durch den Spannungs-Frequenz-Umsetzer
in der Amplitude stets konstant gehalten und zwar auch, wie vorausgehend erläutert,
bei Kurzschluß des Energiespeichers 2. Eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung
wird hierdurch in hohem Ivaße ohne Verringerung ihres l.;irkungsgrades eigensicher.
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Es läßt sich zeigen, daß während der Aufladung des Energiespeichers
2 die folgenden Beziehungen für die Dauer t121, t122 der Aufmagnetisierung der Saugdrossel
11, wobei jeweils ein Transistor des Wechselrichters 12 stromleitend ist, und für
die Dauer t123, t124 der Abmagnetisierung, wobei jeweils eine Diode des Wechselrichters
stromleitend ist, bestehen:
so daß nach Fig. 2
ist.
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Die Gleichung (5) stellt das gewünschte Umsetzungsverhalten des Spannungs-Frequenz-Umsetzers
3 dar. Sie gilt für konsXntbleibende Amplituden des Aufladungswechselatromes und
ist in
Fig. 3 dargestellt. Als kleinstmögliche Schaltfrequenz ist
hierbei fmin = 0,2 fmax angenommen, wobei U2S = 0,91 ü UQ ist. Die Stromamplitude
î ist unterhalb der Kurve von Fig. 3 größer und oberhalb der Kurve kleiner als auf
der Kurve.
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Einfach verifizieren läßt sich als Näherung an die parabelförmige
Kurve eine Gerade durch die Funkte f if max = 1 und j #'# max = 0,2. Transformator,
.Saugdrossel und Transistoren müssen dann für einen entsDrechend der größten Abweichung
der Näherungsgerade von der Kurve überhöhten Strom gelegt werden. Es zeigt, sich,
daß die Näherungsgerade im Punkt 0,45 U2/ü U# ; 0,6 #'# max am meisten abweicht.
Damit läßt sich eine Amplitudenüberhöhung von #/# # 1,43 abschätzen.