DE2525322A1

DE2525322A1 - Wechselspannungs-regler

Info

Publication number: DE2525322A1
Application number: DE19752525322
Authority: DE
Inventors: Lennart Edstroem; Kenth Uddin
Original assignee: ELEKTRONIK KONSTRUKTIONER AB
Current assignee: ELEKTRONIK KONSTRUKTIONER AB
Priority date: 1974-06-07
Filing date: 1975-06-06
Publication date: 1975-12-18
Also published as: SE381112B; US3987357A

Description

E A. GRÜNECKER

DIPL.-IN0.

H. KiNKELDEY

DR.-ING.

W. STOCKMAIR

DR.-INCS. - AjE(C:ALtECHJ

2525322 ^κ· Schumann

DR. RER. NAT. ■ DIPL.-PHVS.

P. H. JAKOB

OIPI INS.

G. BEZOLD

DR. RER. NAT. · DIPL.-CHEM.

MÜNCHEN E. K. WEIL

DR. RER. OEC. INQ.

LINDAU

MÜNCHEN 22

MAXIMILIANSTRASSE 43

6. Juni 1975
P 9306

AB Elektronik-Konstruktioner
Batterivägen 60

OO LuIel, Schweden Wechselspannungs-Regler

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wechselspannung-Eegler mit einem Paar die zugeführte Wechselspannung aufnehmenden Eingangsanschlüssen, einem einen kapazitiven Teil aufweisenden Tiefpaßfilter und einem Paar über den kapazitiven Teil geschalteter Ausgangsanschlüsse.

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TELEFON (O8B) 32 38 82 TELEX 05-2938O TELEGRAMME MONAPAT

Aus der Nachrichtenübertragungstechnik ist es bereits bekannt, Sinusspannung zur Impulsbreiten-Modulation einer Gleichspannung zu erzeugen und ein Wechsel Spannungssignal über ein Tiefpaßfilter zu erhalten. Für größere Ströme erfordert dieses Verfahren eine relativ teure Wechselspannungs-Anordnung und bewirkt sehr große Spannungsspitζen über dem induktiven Teil des Tiefpaßfilters und damit über den Schalt er element en, mit denen die Gleichspannung impulsbreitenmoduliert wird. Um eine lange Lebensdauer zu erhalten, sollen außerdem Halbleiterbauelemente als Schalterelemente benutzt werden, was jedoch mit den gegenwärtig erhältlichen Halbleitern nicht möglich ist. Ein zusätzlicher Nachteil liegt außerdem darin, daß die mögliche Ausgangsspannung maximal U_Q/2 ist, wobei Uq der Spitzenwert der Netzspannung, d.h. der zugeführten Wechselspannung, ist.

Durch Schalten einer Diode über den induktiven Teil ist es selbstverständlich möglich, die zuvor erwähnten Spannungsspitzen zu beseitigen, jedoch arbeitet dann das Filter nur in einer Richtung, d.h., es wird keine Wechselspannung am Ausgang erhalten. Ein anderes Problem liegt darin, daß bei einer vollständigen Sättigung des Schalterelements oder seinem Ausfall entweder die volle Gleichspannung oder aber überhaupt keine Spannung über der Last erhalten wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen neuen Wechselspannungs-Regler zu schaffen, der diese Nachteile nicht mehr aufweist.

Bei einem Wechselspannungs-Regler der genannten Art ist diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Tiefpaßfilter zwei induktive Teile aufweist, die jeweils mit einem der Eingangsanschlüsse über ein zugeordnetes, nur in einer Richtung durchlässiges, gesteuertes Schalterelement verbunden sind, daß die Schalterelemente

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entgegengesetzt zueinander gepolt und mit je einem induktiven Teil in Beine geschaltet sind und daß über ein zugehöriges Sehalterelement ein Gleichrichter geschaltet ist, der einen in Durchlaßrichtung des zugehörigen Schalterelements fließenden Strom sperrt, einen durch das andere Schaltereleraent fließenden Strom jedoch hindurchläßt.

Vorzugsweise ist über jeden der induktiven Teile ein weiterer Gleichrichter geschaltet, der den in Durchlaßrichtung des zugehörigen Schalterelements fließenden Strom sperrt, jedoch aufgrund einer induzierten Spannung leitend wird, wenn ein Strom durch den zugehörigen induktiven Teil durch das zugehörige Schalterelement unterbrochen wird.

Der Segler arbeitet prinzipiell als ein Spartransformator mit einer reinen Sinusspannung an seinem Ausgang, die von 0 Volt bis zur vollen Ausgangsspannung reicht. Die Ausgangsspannung kann am Steuereingang der Schaltereinrichtung mit Hilfe eines Potentiometers oder aber eines Spannungs- oder Stromsignals geregelt werden.

Mit dem neuen Wechselspannungs-Regler werden die folgenden Vorteile erzielt: Der Regler kann unmittelbar von einer Netz—Wechselspannung ohne zwischengeschaltete Gleichspannungs-Anordnung gespeist werden. Durch Aufteilung der Induktivität des Tiefpaßfilters in zwei Teile in der beschriebenen Weise werden die großen induktiven Spannungsspitzen über den jeweiligen Teilen für jede Halbperiode gedämpft. Durch Speisen des Modulators, dessen Ausgangssignal die Schalterelemente steuert, mit einer Wechselspannung wird die gesamte Anordnung sehr viel einfacher, da nur noch eine Amplitudenmodulation und keine Frequenzmodulation im Gegensatz zu den bisher bekannten vergleichbaren Anordnungen durchgeführt werden muß. Bei einer vollständigen Sättigung sind die Schalterelemente vollständig leitend,

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was Schalterverluste beseitigt. Bei dem bekannten Verfahren \\rürde der maximale Modulationsgrad in diesem Fall auftreten und damit auch die maximalen Verluste.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 einen vereinfachten Schaltplan der Grundschaltung des neuen Wechselspannungs-Reglers,

Fig. 2 Strom- und Spannungsverläufe zur näheren Erläuterung der Arbeitsweise der in Fig. Λ gezeigten Schaltung und

Fig. 3 tois 5 schematisch drei Beispiele für die" Verwendung des neuen Wechselspannungs-Reglers.

In Fig. 1 sind die Eingangsanschlüsse der gezeigten Schaltung mit "Phase" und "0" bezeichnet. Diese Eingangsanschlüsse erhalten unmittelbar eine Wechselspannung, d.h. die Netzspannung. Die Schaltung weist ein Tiefpaßfilter auf, das aus einem Kondensator C1, mit der eine Last Zj₁ verbunden ist und an jeder Seite des Kondensators eine Induktivität L1 bzw. L2. Die Induktivitäten L1 und L2 werden unmittelbar von den jeweiligen Eingangsanschlüssen über zugeordnete, nur in einer Richtung durchlässige, gesteuerte Schalterelemente Q1 und Q2 gespeist. Die Schalterelemente Q1 und Q2 bestehen aus herkömmlichen Halbleiterelementen, wie z.B. Transistoren. Die Sehalterelemente haben zueinander entgegengesetzte Durchlaßrichtungen. Über jede Induktivität L1 und L2 ist jeweils eine Diode D3 und D4 geschaltet, um durch die entsprechenden Schalterelemente Q1 und Q2 fließende Ströme jeweils zu sperren, jedoch eine Spannung hindurchzulassen ,die induziert wird, wenn der Strom durch die zugehörige Induktivität unterbrochen wird. Anstelle der

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Dioden können auch andere spannungsabhängige Widerstände "benutzt werden, über die jeweiligen Serienschaltungen einer Induktivität L1, L2 und eines Schalterelementes Q1 und Q2 sind jeweils zusätzliche Dioden D1 und D2 geschaltet, die einen Strom in der Durchlaßrichtung der zugehörigen Schalterelemente Q1 und Q2 jeweils sperren, jedoch einen durch das jeweils andere Schalterelement fließenden Strom vollständig hindurchlassen.

Werden die Schalterelemente Q1 und Q2 durch ein geeignet moduliertes Signal gesteuert, so daß sie entsprechend der gewünschten Ausgangsspannung leitend oder gesperrt gehalten werden, so werden durch die Schalterelemente Stromimpulse erhalten, die von dem Tiefpaßfilter C1, L1, L2 integriert werden. Dadurch wird eine Sinusspannung über den Kondensator C1 des Tiefpaßfilters, mit einer geeignet gewählten Frequenz der Stromimpulse- erhalten. Verbindungen zur Treiberstufe und dem Modulator sind durch sich von den Steueranschlüssen der beiden Schalterelemente Q1 und Q2 erstreckende Leitungen angedeutet.

Die zuvor beschriebene Arbeitsweise wird in Verbindung mit Fig. 1 und zusammen mit den Spannungs-und Stromkurven, die in Fig. 2 gezeigt sind, näher erläutert. Der Strompfad durch die in Fig. 1 gezeigte Schaltung ist mit strich-punktierten Linien dargestellt, wenn die zugeführte Wechselspannung positiv ist, und mit gestrichelten Linien dargestellt, wenn die zugeführte Wechselspannung negativ ist. In Fig. 2a ist die zugeführte Wechselspannung durch die durchgezogene Linie dargestellt und in ihrem positiven Teil sind die Stromimpulse durch das Schalterelement Q2 in Form von schraffierten Rechtecken i eingetragen. Die Stromimpulse durch das Schalterelement Q1 erhalten eine entsprechende Form während des negativen Teils der zugeführten Wechselspannung. Die Stromimpulse durch die Schalterelemente Q1 und Q2 werden, wie zuvor erwähnt,- in dem Tiefpaßfilter integriert, wodurch sich das in Fig. 2b angegebene Ergebnis einstellt, das die Spannung über dem Kondensator CI zeigt.

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Die Arbeitsweise der Dioden D3 und D4- ist in Fig. 2c gezeigt, wobei ein Teil der Spannung über dem Schalterelement Q2 für zwei Fälle, nämlich einmal mit und einmal ohne die Diode D4, gezeigt ist. Ohne die Diode wird die erste, lange Spannungsspitze erhalten, die jedoch mit der Diode D4 beseitigt ist, wie dieses durch die zweite kurze Spannungsspitze dargestellt ist.

Durch Verwendung der Schalterelemente Q1 und Q2, die schnell ein- und ausgeschaltet werden können, kann der Effektivwert der Ausgangsspannung während einer Halbperiode der zugeführten Wechselspannung beeinflußt werden. Der für die Steuerung der Schalterelemente Q1 und Q2 benutzte Impulsbreiten-Modulator kann herkömmlicher Bauart sein. Kurz gesagt arbeitet er in der Weise, daß der Pegel einer Eingangsgleichspannung für den Modulator die Impulsbreite der Ausgangsimpulse zur Steuerungder Schalterelemente Q1 und Q2 steuert.

Erhält der Modulator eine Spannung, deren Amplitude sich mit der Zeit ändert, also z.B. eine sinusförmige Spannung, so wird eine Impulsfolge am Ausgang erhalten, in der die Impulsbreite in entsprechender Weise sich ändert. Durch Benutzung eines solchen Modulators kann eine Frequenz der Netzfrequenz überlagert werden, die niedriger als die Netzfrequenz ist. Ein Schalterelement wird während einer bestimmten Zeit gesperrt, um damit nur die positiven Halbwellen zu erzeugen, deren Summe in dem Tiefpaßfilter integriert wird, das dann eine sehr niedrige Sperrfrequenz haben sollte. Danach wird das zweite Schalterelement gesperrt, so daß jetzt nur die negativen Halbwellen an das Tiefpaßfilter und damit an die Last gegeben werden. In diesem Fall ist es möglich, eine Ausgangsspannung änderbarer Frequenz zu erhalten. Das Sperren der jeweiligen Schalterelemente wird in dem Modulator in einer für sich zum Stande der Technik gehörenden Weise vorgenommen. Wird das zuvor beschriebene Verfahren mit der

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Anordnung so zusammengefaßt;, daß die zugeführte Wechselspannung an den Regler·über Thyristor-Umformer gegeben wird, so daß beide Halbwellen der an den Eingang gegebenen Wechselspannung benutzt werden, um die jeweiligen Spannungshalbwellen am Ausgang zu erzeugen, wird ein verbesserter Leistungswirkungsgrad und eine bessere Impulsform erhalten.

In den Fig. 3 bis 5 sind einige Beispiele von Anwendungsbereichen des neuen Wechselspannungs-Reglers gezeigt.

In Fig. 3 ist der Regler in einem gesteuerten Leistungsgleichrichter vorgesehen, wobei der mit 10 angegebene Regler-Block einen herkömmlichen Modulator aufweist und zwischen die Netzspannung und die Primärseite eines Transformators 12 geschaltet ist, deren Sekundärseite eine Gleichrichterbrücke 14 speist, mit der eine Last Z verbunden ist. Am Ausgang der Gleichrichterbrücke 14- wird ein Steuersignal durch Erfassen der Spannung, des Stroms, der Leistung oder Energie erhalten, wie dieses durch den Block 16 dargestellt ist. Dieses Steuersignal wird zur Steuerung des Modulators in dem Block benutzt.

In Fig. 4 ist die Geschwindigkeitssteuerung eines Einphasenmotors oder einer Wechselspannungs-Bremse schematisch dargestellt und in Fig. 5 wird ein Dreiphasenmotor mit Spannungssteuerung und einem allmählichen Anlaufen dargestellt. In Fig. 4 gibt 10 den Regler mit dem zugehörigen Modulator an. In Fig. 5 weist der Regler-Block 20 drei der in Fig. 1 dargestellten Schaltungen auf, deren Eingänge jeweils mit einer Phasenwicklung eines jeden Motors verbunden sind, die durch den Block 22 dargestellt sind. Die drei Regler werden prinzipiell von einem gemeinsamen Modulator mit einer dazwischengeschalteten Isolierstufe betätigt.

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Die im einzelnen auszuführende Verbindung der drei beispielhaften Anwendungen nach den Fig. 3 bis 5 sind dem Fachmann bekannt und bilden keinen Bestandteil der Erfindung, so daß sie hier auch nicht näher erläutert sind.

- Patentansprüche -

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Claims

Pat entansprüche

Wechselspannungs-Regler mit einem Paar die zugeführte Wechselspannung aufnehmenden Exngangsanschlüssen, einem einen kapazitiven Teil aufweisenden Tiefpaßfilter und einem Paar über den kapazitiven Teil geschalteter Ausgangsanschlüsse, dadurch gekennzeichnet, daß das Tiefpaßfilter (C1, L1, L2) zwei induktive Teile (L1, L2) aufweist, die jeweils mit einem der Eingangsanschlüsse über ein zugeordnetes, nur in einer Richtung durchlässiges, gesteuertes Schalterelement (Q1, Q2) verbunden sind, daß die Sehalterelemente entgegengesetzt zueinander gepolt und mit je einem induktiven Teil in Reihe geschaltet sind und daß über ein zugehöriges Schalterelement ein Gleichrichter (D1, D2) geschaltet ist, der einen in Durchlaßrichtung des zugehörigen Schalterelements fließenden Strom sperrt, einen durch das andere Schalterelement fließenden Strom jedoch hindurchläßt.
2. Wechselspannungs-Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jeder der induktiven Teile (LI, L2) mit einem zugehörigen weiteren Gleichrichter (D3> D4-) überbrückt ist, die einen durch das an der gleichen Seite des Filters vorgesehene Sehalterelement (Q1, Q2) hindurchgelassenen Strom sperren, jedoch als Folge einer induzierten Spannung leitend sind, die auftritt, wenn ein Strom durch den zugehörigen induktiven Teil durch das zuletzt genannte Schalterelement unterbrochen wird.

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3. Wechselspannungs-Regler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch, gekennzeichnet , daß die Sehalterelemente (Q1, Q2) durch einen Impulsbreiten-Modulator gesteuert sind, dessen an die Schalterelemente gegebenes Ausgangssignal eine zeitveränderlich steuerbare Impulsbreite hat.

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