DE2625036B2

DE2625036B2 - Getaktetes Netzgerät

Info

Publication number: DE2625036B2
Application number: DE19762625036
Authority: DE
Inventors: Herbert Poppinger; Ludwig Schick; Gautam Tendulkar
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-06-03
Filing date: 1976-06-03
Publication date: 1978-11-16
Also published as: DE2625036A1

Description

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 mit PD-Verhalten, in dem die Ausgangsspannung des Tiefpasses die Regelgröße ist und die Stellgröße dem steuerbaren Schalter zugeführt ist.

Ein solches getaktetes Netzgerät ist aus der Zeitschrift »Valvo-Berichte« Band XVIII, Heft 1/2, Seiten 143 bis 145, bekannt. Beim bekannten Netzgerät wird als Tiefpaß ein Z-C-Filter zur Glättung bzw. Mittelwertbildung der Ausgangsspannung eingesetzt. Ein solcher Tiefpaß besitzt eine Verzögerung zweiter Ordnung und damit eine Phasenverschiebung von -180° el.

Mit dem Regelkreis des bekannten Netzgerätes werden sowohl eingangsseitige als auch ausgangsseitige Störgrößen entsprechend der Eigenzeitkonstante des Z-C-Filters ausgeregelt. Dabei können aber im Regelkreis nur Regler mit proportionalem oder proportionaldifferentiellem Verhalten, sogenannte P- oder PD-Regler eingesetzt werden, da sonst entweder die Phasenreserve zu gering oder die Ausregelzeit noch langsamer als die Eigenzeitkonstante des Z-C-Filters wären. Wegen der Phasenverschiebung des Tiefpasses von —180° el ist daher beim bekannten Netzgerät eine schnelle und stabile Regelung nur bedingt und schwer zu verwirklichen.

Aus der Zeitschrift »BBC-Nachrichten« 1973, Heft 1/2, Seiten 3 bis 9, ist bekannt, daß sich bei Zweipunktreglern mit einer PD-Rückführung über den Zweipunktregler eine Vergleichmäßigung der Regel-ί größe erreichen läßt Dabei wird kein vermaschter Regelkreis mit einer Hilfsregelgröße eingesetzt, sondern lediglich der Zweipunktregler mit einer Rückführung versehen. Eingangsseitige Störgrößen der Regelstrecke können nicht direkt vor der Regelstrecke erfaßt

iti und ausgeregelt werden, sondern nur mit der durch die Regelstrecke bedingten Verzögerung. Mit dieser bekannten Anordnung kann also die Ausregelzeit eingangsseitiger Störungen nicht verringert werden.
Aus der Zeitschrift »Regelungstechnische Praxis«,

π 1966, Heft 4, Seiten 110 bis 116, ist es bekannt, bei Glühofen eine Hilfsregelgröße zu verwenden, die schon nach kurzer Zeit auf einen Stellbefehl des Reglers reagiert Auch hierbei wird als Hilfsregelgröße nicht die Eingangsgröße einer Regelstrecke verwendet so daß auch bei dieser bekannten Anordnung keine schnelle Ausregelung eingangsseitiger Störgrößen möglich ist

Es besteht die Aufgabe, bei einem Netzgerät der eingangs genannten Art die vom Tiefpaß bedingte Phasenverschiebung so zu kompensieren, daß ein

2") schnelles und stabiles Regelverhalten mit geringem zusätzlichen Aufwand realisierbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Regelkreis ein vermaschter Regelkreis ist, dem als Hilfsregelgröße die Eingangsspannung des Tiefpas-

iii ses so zugeführt ist, daß die Gesamtwirkung einem proportional differentiellem Regler entspricht Vorzugsweise ist im vermaschten Regelkreis einem Regler mit proportional-integralem Zeitverhalten, dem die Regelgröße zugeführt ist, ein Regler mit proportiona-

r> lern Zeitverhalten unterlagen, dem die Hilfsregelgröße über ein Glättungsglied zugeleitet ist. In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist der vermaschte Regelkreis mit einem Regler mit proportionalem Zeitverhalten, einem unterlagerten Regler mit integralern Zeitverhalten realisiert, wobei dem Regler mit proportionalem Zeitverhalten die Regelgröße und dem Regler mit integralem Zeitverhalten die Hilfsregelgröße zugeführt ist.

Beim erfindungsgemäßen Netzgerät werden die

4> 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 proportional-integralem Verhalten und des unterlagerten Regelkreises mit integralem Verhalten im vermaschten Regelkreis ein Vorhalt erhalten wird, womit die Phasenverschiebung von -180° el des Tiefpasses teilweise kompensiert wird. Das erfindungsgemäße Netzgerät weist damit ohne besonderen technischen und wirtschaftlichen Aufwand ein schnelles und stabiles Regelverhalten auf.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Netzgerät beispielhaft anhand der Fig. 1 bis 5 näher erläutert. In den Figuren sind mehrere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Netzgerätes gezeigt, wobei insbesondere einfache I-Regler oder P-Regler oder unbe-

schaltete Operationsverstärker als Regler eingesetzt sind In den Figuren sind gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

F i g. 1 zeigt das schematische Schaltbild eines erFindungsgemäßen Netzgerätes. 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 als LC-Filter mit der Drossel 6 und ihrem Dämpfungswfrterstand 6a und dem Kondensator 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 Last 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 eiwe weitere Additionsstufe 16 nacligeschaltet, 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 Leitung 18 die Eitigangsspannung 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 A 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 ausregdt. Man erhält für den vermaschten Regelkreis eine optimale Phasenreserve von + 90° el, wenn H₇/ V₁₉ klein gegen 7I₇₁C₇^₇₃ und

ist und wenn V'12 etwa zwischen 10 und 100 liegt, wobei Ti₇ die Zeitkonstante des Glättungsgliedes 17, V19 die Verstärkung des Proportionalreglers 19, Vn die Verstärkung des PI-Reglers 12 und C₇, Ä_7a, U, usw. die Kapazitäts- bzw. Widerstands- bzw. Induktivitätswerte der Bauelemente sind, deren Bezugszeichen als Index angegeben ist. Im verrnaschten Regelkreis erhält man damit einen Vorhalt, der die Phasenverschiebung von —180° el des Tiefpasses 5 teilweise kompensiert und die Stabilität des vermascliten Regelkreises bewirkt, indem die an den Klemmen 9 anstehenden Laststörgrößen vom PI-Regler 12 ausigeregelt werden. Eine Phasenreserve von etwa +90" el und damit eine ausreichende Stabilität des Regelkreises bleibt auch im ungültigsten Fall, der bei sehr kleinen Dämpfungswiderständen R^a und Ria des Z.C-FiIters 5 gegeben ist, dann erhalten, wenn das Verhältnis Ti₇/V19 klein bleibt und K12 etwa zwischen 10 und 100 beträgt

Es wurde bereits ausgeführt, daß die eingangsseitigen Störgrößen bereits vor dem Tiefpaß 5 erfaßt und vom Hilfsregelreis 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 Übergangsfunktion der mit dem Tiefpaß 5 gegebenen Regelstrecke vernachlässigt werden. Der Steuerfrequenzgang des vermaschten Regelkreises entspricht damit einem PD-Regler, dessen Regelung unter der Voraussetzung Tu/V^<7]2 für alle Regelstrecken zweiter Ordnung konstant bleibt worin Tn die ι Zeitkonstante des PI - Reglers 12 ist

Ein erstes Ausführungsbeispiel des im Zusammenhang mit F i g. 1 beschriebenen getakteten Netzgerätes mit dem erfindungsgemäßen Regelungsprinzip ist in Fig.2 gezeigt Bei diesem Ausführungsbtispiel 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 136 der Additionsstufe 13 verbunden. Der PI-Regler 12 ist mit einem Operationsverstärker 12a realisiert dessen Ausgang über einen

1) Widerstand \2b und einen Kondensator 12c mit seinem invertierenden Eingang verbunden ist Der Ausgang des Operationsverstärkers 12a ist außerdem an einen Widerstand 16a der Additionsstufe 16 angeschlossen. Ein zweiter Widerstand 16Z> ist über die Leitung 18 mit dem Abgriff 17a eines ÄC-Gliedes verbunden, das aus dem Widerstand I7Äunddem Kondensator 17cbesteht. Das /?C-Glied ist als Tiefpaß bzw. Integrator geschaltet, und mit ihm ist das Glättungsglied 17 verwirklicht. Der Additionsstufe 16 ist der invertierende Eingang eines

j") Operationsverstärkers 19a nachgeschaltet,dessen nichtinvertierender Eingang an die Klemme 15 angeschlossen ist. Der Ausgang des als Proportionalverstärker 19 geschalteten Operationsverstärkers 19a ist über einen Widerstand 196 zum invertierenden Eingang zurückge-

iii führt. Als Endverstärker ist dem Proportionalregler 19 ein Transistor 21 nachgeschaltet, dessen Kollektor an positiver Spannung liegt und dessen Emitter einerseits mit der Leitung 20 und andererseits über einen Widerstand 22 mit Nullpotential verbunden ist. Über die

si Leitung 20 wird die Basis eines steuerbaren Schalters 4 angesteuert.

Ein zweites Ausführungsbeispiel zeigt F i g. 3. Dieses unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 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 Hb über den steuerbaren Schalter 4 mit dem

4") Tiefpaß 5 und dessen andere Wicklung 23a über Transistoren 24 und 25 mit den Klemmen 3 verbunden ist. Die Transistoren 24 und 25 werden durch einen Taktgenerator 26 angesteuert. Zur Abmagnetisierung des Übertragers 23 sind die Dioden 27 und 28

•ίο vorgesehen.

Die Erörterung des Regelsystems im Zusammenhang mit F i g. 1 gilt für das getaktete System nach F i g. 3 nur, wenn die Taktfrequenz des Taktgenerators 26 groß im Vergleich zur Eigenfrequenz des Tiefpasses 5 ist. Dies

V) ist jedoch die Voraussetzung dafür, das Regelsystem nach F i g. 3 als kontinuierliches Regelsystem betrachten zu können. Die Schaltfrequenzüberlagerungen sind dabei praktisch bedeutungslos.

Auch im Ausführungsbeispiel nach Fig.4 ist eine

mi galvanische Trennung und eine Potentialtrennung mit dem Übertrager 23 vorgesehen. Der vermaschte Regelkreis 11 dieses Ausführungsbeispiels unterscheidet sich jedoch von den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1, 2 und 3. Als Regler 12 ist ein Proportionalver-

tv"> stärker vorgesehen, der mit einem Operationsverstärker \2d realisiert ist, an dessen nichtinvertierendeni Eingang über den Widerstand 12£> die Klemme 15 und an dessen invertierendem Eingang über den Widerstand

13a die Leitung 14 angeschlossen ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers 12c/ ist über einen Widerstand 12e zum invertierenden Eingang zurückgeführt. Der Integrator 17 ist bei diesem Ausführungsbeispiel ein als Integrator beschalteter Operationsverstärker 17c/, d.h. in bekannter Weise ist sein Ausgang über einen Kondensator 17e mit seinem invertierenden Eingang verbunden. Am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 17 ist über den Widerstand 166 die Leitung 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 12</ ist über den Widerstand 16a mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 17c/ verbunden. Dem Ausgang des Operationsverstärkers 17c/ist über einen Widerstand 19c der nichtinvertierende Eingang eines Operationsverstärkers 19a nachgeschaltet, dessen invertierender Eingang über einen Widerstand 19c/mit der Klemme 15 verbunden ist, an der der Sollwert liegt.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig.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 Taktgenerator 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 zweiter Eingang des digitalen Verknüpfungsgliedes 30 ist der Taktgenerator 26 verbunden. 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 3ib und 31c, über die die Transistoren 24 und 25 angesteuert werden.

Im Ausführungsbeispiel nach F i g. 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 Porportionalregler 19 wie in den Ausführungsbeispielen nach den F i g. 2 und 3 aufgebaut ist. Der Ausgang des PI-Reglers 12 ist über einen Widerstand 12/" 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.

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 ist beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Getaktetes Netzgerät mit einem Gleichrichter, dessen Gleichstromausgang ein steuerbarer Schalter und ein mit einer Freilaufdiode überbrückter Tiefpaß nachgeschaltet ist und einem Regelkreis mit PD-Verhalten, in dem die Ausgangsspannung des Tiefpasses die Regelgröße ist und die Stellgröße dem steuerbaren Schalter zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis ein vermaschter Regelkreis (11) ist, dem als Hilfsregelgröße die Eingangsspannung des Tiefpasses (5, 10) so zugeführt ist, daß die Gesamtwirkung einem proportional-differentiellem Regler entspricht

2. Getaktetes Netzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im vermaschten Regelkreis (U) einem Regler (12) mit proportional-integralem Zeitverhalten, dem die Regelgröße zugeführt ist, ein Regler (19) mit proportionalem Zeitverhalten unterlagert ist, dem die Hilfsregelgröße über ein Glättungsglied zugeleitet ist (F i g. 2,3,5).

3. Getaktetes Netzgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vermaschte Regelkreis (11) mit einem Regler (12) mit proportionalem Zeitverhalten und einem unterlagerten Regler (17, 19) mit integralem Zeitverhalten realisiert ist, wobei dem Regler mit proportionalem Zeitverhalten die Regelgröße und dem Regler mit integralem Zeitverhalten die Hilfsregelgröße zugeführt ist (F ig. 4).

4. Getaktetes Netzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur galvanischen Trennung im vermaschten Regelkreis (U) ein optoelektronisches Koppelelement (32) angeordnet ist.