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Getaktetes NetzRerät
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Die Erfindung betrifft ein getaktetes Netzgerät mit einem Gleichrichter,
dessen Gleichstromausgang ein steuerbarer Schalter und ein mit einer Freilaufdiode
überbrückter Tiefpaß nachgeschaltet ist und einem Regelkreis, in dem die Ausgangsspannung
des Tiefpassen die Regelgröße ist und die Stellgröße dem steuerbaren Schalter zugeführt
ist.
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Ein solches getaktetes Ntzgerät ist aus der Zeitschrift ZValvo-Berichte"
Band XVIII, Heft 1/2, Seiten 143 bis 145 bekannt. Beim bekannten Netzgerät wird
als Tiefpaß ein LC-Filter zur Glättung bzw. Mittelwertsbildung der Ausgangsspannung
eingesetzt. Ein solcher Tiefpaß besitzt eine Verzögerung zweiter Ordnung und damit
eine Phasenverschiebung von 1800 el. Mit dem Regelkreis des bekannten Netzgerätes
werden sowohl eingangsseitige als auch ausgangsseitige Störgrößen entsprechend der
Eigenzeitkonstante des LC-Filters ausgeregelt. Dabei können aber im Regelkreis nur
Regler mit proportionalem oder proportional-differentiellem Verhalten, sogenannte
P- oder PD-Regler eingesetzt werden, da sonst entweder die Phasenreserve zu gering
oder die Ausregelzeit noch langsamer als die Eigenzeitkonstante des LC-Filters wären.
Wegen der Phasenverschiebung des Tiefpasses von - 1800 el ist daher beim bekannten
Netzgerät eine schnelle und stabile Regelung nur bedingt und schwer zu vcrwirklichen.
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Es besteht die Aufgabe, bei einem Netzgerät der eingangs genannten
Art die vom Tiefpaß bedingte Phasenverschiebung so zu kompensieren, daß ein schnelles
und stabiles Regelverhalten mit geringem zusätzlichem Aufwand realisierbar ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelost, daß der Regelkreis
ein vermaschter Regelkreis ist, dem als Hilfaregelgröße die
Eingangsspannung
des Tietpasse-s 10 zugeführt ist, daß die Gesamtwirkung einem proportional differentiellem
Regler entspricht.
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Voraugsweise ist im vermaschten Regelkreis einem Ls3gler mit Proportional-integralem
Zeitverhalten, dem die Regelgröße zugeführt ist, ein Regler mit proportionalem Zeitverhalten
unterlagert, dum die Hilfsregelgröße über ein Glättungsglied zugeleitet ist. In
einereanderen vorteilhaften Ausführungsform ist der vermaschte Regelkreis mit einem
Regler mit proportionalem Zeitverhalten, und einem unterlagerten Regler mit integralem
Zeitverhalten realisiert, wobei dem Regler mit proportionalem Zeitverhalten die
Regelgröße und dem Regler mit integralem Zeitverhalten die Hilferegelgröße zugeführt
ist.
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Beim erfindungsgemäßen Netzgerät werden die eingangsseitigen Störgrößen
vor dem Tiefpaß erfaßt und im vermaschten Regelkreis in einem gesonderten, geschlossenen
Hilfsregelkreis, vorzugsweise mit einem Regler mit integralem Verhalten, einem sogenannten
I-Regler schnell ausgeregelt. Dabei hat der Tiefpaß keinen Einfluß auf die Ausregelzeit
der Hilfsregelgröße. Die Störgrößen der Lastseite werden im überlagerten Regler,
vorzugsweise einem Regler mit proportional-integralem Zeitverhalten, einem sogenannten
PI-Regler, mit ausreichender Stabilität ausgeregelt, da durch das Zusammenwirken
des überlagerten Regelkreises mit proportionalintegralem Verhalten und des unterlagerten
Regelkreises mit integralem Verhalten im vermaschten Regelkreis ein Vorhalt erhalten
wird, womit die Phasenverschiebung von - 1800 el des Tiefpasses teilweise kompensiert
wird. Das erfindungsgemäße Netzgerät weist damit ohne besonderen technischen und
wirtschaftlichen Aufwand ein schnelles und stabiles Regelverhalten auf.
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Im folgenden wird das erfindungsgemäße Netzgerät beispielhaft anhand
der Figuren 1 bis 5 näher erläutert. In den Figuren sind mehrere Ausführungsbeispiele
des erfindungs-Lßen Netzgerätes gezeigt, wobei insbesondere einfache I-Regler oder
P-Regler oder unbeschaltete Operationsverstärker als Regler eingesetzt sind. In
den Figuren sind gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Figur 1 zeigt das schematische Schaltbild eines erfindungsgemäßen
Ntzgerätes. Ein Gleichrichter 1 ist mit seinen Eingangsklemmen 2 an ein Wechsel-
oder Drehstromnetz angeschlossen. Die Ausgangsklemmen 3 sind mit einem steuerbaren
Schalter 4 verbunden, dem ein Tiefpaß 5 nachgeschaltet ist, der im Ausführungsbeispiel
ein LC-Filter mit der Drossel 6 und ihrem Dämpfungswiderstand 6a und dem Kondenastor
7 und seinem Dämpfungswiderstand 7a realisiert ist. Der Tiefpaß 5 ist von einem
Freilaufventil 8 überbrückt, An die Ausgangsklemmen 9 des Tiefpasses 5 ist die Latt
10 angeschlossen. Der vermaschte Regelkreis 11 weist einen PI-Regler 12 auf, dessen
Eingang mit einer Additionsstufe 13 verbunden ist, der über die Leitung 14 als Istwert
die Ausgangsspannung des Tiefpasses 5 und über eine Klemme 15 als Sollwert eine
Referenzspannung zugeführt ist. Dem PI-Regler 12 ist eine weitere Additionsstufe
16 nachgeschaltet, die mit dem Ausgang eines Glättungsgliedes 17 verbunden ist,
der ein Integrator oder ein Glättungsglied mit einer Verzögerung erster Ordnung
ist. Dem Glättungsglied 17 ist über eine Leistung 18 die Eingangsspannung des Tiefpasses
5 als Hilfsregelgröße bzw. Istwert zugeführt. Mit der Additionsstufe 16 ist der
Eingang eines Proportionalverstärkers 19 verbunden, von dem über die Leitung 20
der steuerbare Schalter 4 angesteuert wird. Durch das Glättungsglied 17 und den
Proportionalregler 19 wird ein unterlagerter Hilfsregelkreis realisiert, der die
vor dem Tiefpaß 5 erfaßten, eingangsseitigen Störgrößen des Tiefpasses ausregelt.
Man erhält für den vermaschten Regelkreis eine optimale Phasenr Reserve von +900
el wenn T17/V19 klein gegen T17, C7R7a und
ist und wenn V12 etwa zwischen 10 und 100 liegt, wobei T17 die Zeitkonstante des
Glättungsgliedes 17, V19 die Verstärkung des Proportionalreglers 19, V12 die Verstärkung
des PI-Reglers 12 und C7, fi at L6 usw. die Kapazitäts- bzw. Widerstands- bzw. Induktivitätswerte
der Bauelemente sind, deren Bezugszeichen als Index gngegeben ist. Im vermaschten
Regelkreis erhält man damit einen Vorhalt, der die Phasenverschiebung von - 1800
el des Tiefpasses 5 teilweise kompensiert und die Stabilität des vermaschten Regelkreises
5 bewirkt, in dem die an den Klemmen 9 anstbBenden Laststörgrößenvom PI-Regler 12
ausgeregelt werden. Eine Phasenreserve
von etwa + 900 el und damit
eine ausreichende Stabilität des Regelkreises bleibt auch im ungünstigsten Fall,
der bei sehr kleinen Dämpfungswiderständen R6a und R7a des LC-Filters 5 gegeben
ist, dann erhalten, wenn das Verhältnis T17/V19 klein bleibt und V12 etwa zwischen
10 und 100 beträgt.
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Es wurde bereits ausgeführt, daß die eingangsseitigen Störgrößen bereits
vor dem Tiefpaß 5 erfaßt und vom Hilfsregelkreis ausgeregelt werden. Dabei hat der
Tiefpaß 5 keinen Einfluß auf die Ausregelzeit für diese Störgrößen. Der Hilfsregelkreis
ist daher sehr schnell. Für den gesamten Regelkreis kann die Verzögerung erster
Ordnung, die durch das Glättungsglied 17 und den Proportionalverstärker 19 bestimmt
sind, gegenüber der Ubergangsfunktion der mit dem Tiefpaß 5 gegebenen Regelstrecke
vernachlässigt werden. Der Steuerfrequenzgang des vermaschten Regelkreises entspricht
damit einem PD-Regler, dessen Regelung unter der Voraussetzung T17/V19 4 T12 für
alle Regelstrecken zweiter Ordnung konstant bleibt, worin T12 die Zeitkonstante
des PI-Reglers 12 ist.
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Ein erstes Ausführungsbeispiel des im Zusammenhang mit Figur 1 beschriebenen
getakteten Netzgeräts mit dem erfindungsgemäßen Regelungsprinzip ist in Figur 2
gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist:der Ausgang des Tiefpasses 5 über die
Leitung 14 mit einem Widerstand 13a und die Klemme 15, an der der Sollwert liegt,
mit einem Widerstand 13b der Additionsstufe 13 verbunden.
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Der Pl-Regler 12 ist mit einem Operationsverstärker 12a realisiert,
dessen Ausgang über einen Widerstand 12b und einen Kondensator 12c mit seinem invertierenden
Eingang verbunden ist.
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Der Ausgang des Operationsverstärkers 12a ist außerdem an einen Widerstand
16at der Additionsstufe 16 angeschlossen. Ein zweiter Widerstand 16b ist über die
Leitung 18 mit dem Abgriff 17a eines RC-Gliedes verbunden, das aus dem Widerstand
17b und dem Kondensator 17c besteht. Das RC-Glied ist als Tiefpaß bzw. Integrator
geschaltet und mit ihm ist das Glättungsglied 17 verwirklicht. Der Additionsstufe
16 ist der invertierende Eingang eines Operationsverstärkers 19 nachgeschaltet,
dessen nichtinvertierender Eingang an die Klemme 15 angeschlossen ist. Der Ausgang
des als Proportionalverstärkers 19 geschalteten Operationsverstärkers
19a
ist über einen Widerstand 19b zum invertierenden Eingang zurückgeführt. Als Endverstärker
ist dem Proportionalregler 19 ein Transistor 21 nachgeschaltet, dessen Kollektor
anwpositiver Spannung liegt und dessen Emitter einerseits mit der Leitung 20 und
andererseits über einen Widerstand 22 mit Nullpotential verbunden ist. Über die
Leitung 20 wird die Basis eines Transistors angesteuert, der im Ausführungsbeispiel
als steuerbarer Schalter 4 dient.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel zeigt Figur 3. Vom AuSUhrungsbeispiel
nach Figur 2 unterscheidet sich dieses AusfUhrungsbeispiel durch die galvanische
Trennung zwischen den Klemmen 3 und dem Schalter 4. Weiterhin ist als Schalter 4
ein Thyristor eingesetzt, der vom Transistor 21 über den Widerstand 22 angesteuert
wird. Zur galvanischen Trennung ist ein Übertrager 23 vorgesehen, dessen eine Wicklung
23b Uber den steuerbaren Schalter 4 mit dem Tiefpaß 5 und dessen andere Wicklung
23a über Transistoren 24 und 25 mit den Klemmen 3 verbunden ist. Die Transistoren
24 und 25 werden mit einem Taktgenerator 26 angesteuert.
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Zur Abmagnetisierung des Ubertragers 23 sind die Dioden 27 und 28
vorgesehen.
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Die Erörterung des Regelsystems im Zusammanhang mit Figur 1 gilt für
das getaktete System nach Figur 3 nur,wenn die Taktfrequenz des Taktgenerators 26
groß im Vergleich zur Eigenfrequenz des Tiefpasses 5 ist. Dies ist jedoch die Voraussetzung
dafür, das Regelsystem nach Figur 3 als kontinuierliches Regelsystem betrachten
zu können. Die SchaltfrequenzUberlagerungen sind dabei praktisch bedeutungslos,
Auch im Ausführungsbeispiel nach Figur 4 ist eine galvanische Trennung und eine
Potentialtrennung mit dem Übertrager 23 vorgesehen. Der vermaschte Regelkreis 11
dieses Ausführungsbeispiels unterscheidet sich Jedoch von den Ausführungsbeispielen
nach den Figuren 1, 2 und 3. Als Regler 12 ist ein Proportionalverstärker vorgesehen,
der mit einem Operationsverstärker 12d realisiert ist, an dessen nichtinvertierendem
Eingang Ueber den Widerstand 13b die Klemme 15 und an dessen invertierendem Eingang
über den
Widerstand 13a die Leitung 14 angeschlossen ist. Der Ausgang
des Operationsverstärkers 12d ist über einen Widerstand 12e zum invertierenden Eingang
zurückgeführt. Der Integrator 17 ist bei diesem Ausführungsbeispiel ein als Integrator
beschalteter Operationsverstärker 17d, d.h. in bekannter Weise ist sein Ausgang
über einen Kondensator 17e mit seinem invertierenden Eingang verbunden. Am invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 17 istiÅüber den Widerstand 16b auch die LeitUrlg
18 angeschlossen. Bei diesem Ausführungsbeispiel entspricht die Kombination des
P-Reglers 12 und des Integrators 17 einem PI-Regler, in dem das Glättungsglied enthalten
ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers 12d ist über den Widerstand 16a mit dem
nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 17d verbunden. Dem Ausgang
des Operationsverstärkers 17d ist über einen Widerstand 19c der michtinvertierende
Eingang eines Operatinnsverstärkers 19a nachgeschaltet, dessen invertierender Eingang
über einen Widerstand 19d mit der Klemme 15 verbunden ist, an der der Sollwert liegt.
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Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 4 ist der steuerbare Schalter
4 durch die Transistoren 24 und 25 gegeben. Im Lastkreis des Übertragers 23 ist
dem Tiefpaß 5 lediglich eine Sperrdiode 4a vorgeschaltet. Zur Aussteuerung der Transistoren
24 und 25 ist wiederum ein Täktgenerator 26 und eine bistabile Kippstufe 29 vorgesehen.
Ein Eingang der bistabilen Kippstufe 29 ist mit dem Operationsverstärker 19a und
ein zweiter Eingang mit dem Taktgenerator 26 verbunden. Der bistabilen Kippstufe
29 ist ein digitales Verknüpfungsglied 30 nachgeschaltet, das im Ausführungsbeispiel
ein UND-Gatter ist. Mit einem zweiten Eingang des digitalen Verknüpfungsgliedes
30 ist der Taktgenerator 26 verbunden.
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Über den Ausgang des digitalen Verknüpfungsgliedes 30 wird der Transistor
21 angesteuert, dessen Kollektor über die Primärwicklung 31a eines Übertragers 31
mit positiver Spannung verbunden ist. Der Übertrager 31 besitzt zwei Sekundärwicklungen
31a und 31b, über die die Transistoren 24 und 25 angesteuert werden.
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Im Ausführungsbeispiel nach Figur 5 ist nicht nur eine galvanische
Trennung im Lastkreis, sondern auch eine galvanische Trennung im vermaschten Regelkreis
11 durchgeführt, der mit einem PI-Regler 12,
einem als Tiefpaß ausgeführten
Glättungsglied 17 und dem Proportionalregler 19 wie in den Ausführungsbeispielen
nach den Figuren 2 und 3 aufgebaut ist. Der Ausgang des PI-Reglers 12 ist huber
einen Widerstand 12f mit dem Eingang eines Optokopplers 32 verbunden, dessen Ausgang
mit dem Widerstand 16a verbunden ist und über einen Widerstand 32a am Nullpotential
liegt. Das optoelektronische Koppelelement 32 dient zur galvanischen Trennung im
vermaschten Regelkreis 11.
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Wegen der galvanischen Trennung ist dem Glättungsglied 17 die Eingangsspannung
des Tiefpasses 5 über eine dritte Wicklung 23c des Übertragers 23 zugeführt, der
ein Gleichrichter 33 und ein Widerstand 34 nachgeschaltet ist. Außerdem it beim
Ausführungabeispiel nach Figur 5 die Basis des Transistors 21 über einen Widerstand
35 direkt mit dem Ausgang der Kippstufe 29 verbunden, die bei diesem Ausführungsbeispiel
sowohl eine monostabile als auch eine bistabile Kippstufe sein kann.
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5 Figuren 4 Patentansprüche
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