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Stronversorgung E scheltung mit umschaltbaren Transformator-
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anzapfungen anzapfungen Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungsschaltung
mit umschaltbaren Transformatoranzapfungen, wie im Oberbegriff des Patentanspruches
1 angegeben.
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Stromversorgungsschaltungen mit umschaltbaren Transformatoranzapfungen
sind bekannt. Sie können beispielsweise zur Verbesserung des Wirkungsgrades von
Netzteilen mit Linearregler benutzt werden, die an einem Netz mit großen Sprnnungsänderungen
betrieben werden. In diesem Fall ist nämlich der Wirkungsgrad bei hoher Spannung
besonders schlecht und eine Verbesserung kann dadurch erreicht werden, daß in Abhängigkeit
von der Netzspannung Anzapfungen am Netztransformator umgeschaltet werden. Dabei
war es bisher üblich, die Umschaltung mit Hilfe von Relais vorzunehmen.
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Weil dabei aber die~Umschaltung zu einer beliebigen Zeit innerhalb
der Dauer einer Halbwelle der Netzspannung erfolgt ist, konnte es zu hohen Einschaltströmen
selbst dann kommen, wenn der Transfotmator bei der Einschaltung zunächst nur im
Leerlauf betrieben wurde. Wird ein Transformator beispielsweise
im
Spannungsnulldurchgang eingeschaltet, so ergibt sich eine große Einschaltstromspitze.
Wird im Spannungsmaximum eingeschaltet, so ergibt sich bei sekundärseitig angeschlossenem
Siebkondensator ein großer Ladestrom. Beide Einschaltvorgänge können zum Auslösen
einer Sicherung führen.
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Der Erfinaung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Vermeidung allzu hoher
Einschaltströme den Wirkungsgrad einer Stromversorgungsschaltung durch die Umschaltung
von Transformatoranzapfungen zu verbessern.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebenen
Merkmale gelöst.
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Das Wesentliche der Erfindung besteht in der Kombination verschiedener
Merkmale, also nicht nur in der Verwendung schaltbarer Leistungshalbleiter, beispielsweise
von Triacs, zur Umschaltung der Transformatoranzapfungen, sondern darin, daß diese
schaltbaren Leistungshalbleiter und damit auch die Transformatoranzapfungen auf
der Primärseite des Transformators vorgesehen sind und daß eine Anlaufsteuereinrichtung
zur Steuerung der Leistungshalbleiter vorhanden ist, mit welcher bewirkt wird, daß
die Leistungshalbleiter beim Einschalten der gesamten Stromversorgungsschaltung
zunächst nur gegen Ende jeweils einer Halbwelle der zu schaltenden Spannung nur
kurzzeitig und dann zunehmend länger und früher durchgeschaltet werden. Es erfolgt
also während des Einschaltvorganges eine Phasenanschnittssteuerung mit definierter
Phase, wobei der jeweilige Beginn der Phasenanschnittes fortschreitend früher einsetzt.
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Solange der einzuschaltende Transformator für das Netz, an welchem
er betrieben wird, eine induktive Last darstellt, also wenn er beispielsweise leerlaufend
oder nur mit sekundärseitigen
Siebkondensatoren eingeschaltet wird,
eilt die Phase des einzuschaltenden Stromes gegenüber der zu shaltenden Spannung
0 nach und zwar im Extremfall bis zu 90 . Für diesen Betriebszustand hat es sich
als vorteilhaft erwiesen, schaltbare Leistungshalbleiter, beispielsweise Tyristoren
oder Triacs mit Gleichstrom zu steuern. Durch diese Betriebsweise können auch Schwierigkeiten
durch die unterschiedlichen Halteströme der Leistungshalbleiter in der positiven
bzw. der negativen Richtung vermieden werden, die eine unerwünschte Gleichstrommagnetisierung
des Transformators hervorrufen würden. Dementsprechend ist es vorteilhaft, die Anlaufsteuereinrichtung
so auszugestalten, daß die Phesenanschnittssteuerung nur solange immer früher einsetzt,
bis das Maximum der durchzuschaltenden Spannung erreicht ist, und dann die Steuerung
der Leistungshalbleiter durch eine Gleichspannung fortzusetzen. Hierzu kann die
AnlFufsteuereinrichtung ein selbsttätiges Schaltglied enthalten, das beim Einschaltvorgang
dann, wenn der Beginn der zunehmend früher beginnenden Durchschaltzeiten die Nähe
des Spannungsmaximums erreicht, anschließend auf fortwährende Gleichatromansteuerung
über die Länge einer Periodendauer hinaus umschaltet.
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Bei kurzzeitigem Ausfall der Netzspannung kann es zu Stromspitzen
im Transformator kommen. Es ist dann notwendig, zur Vermeidung solcher Stromspitzen
eine Netzausfallüberwachung vorzusehen, durch welche im Falle des Ausfalls auch
nur eines nennenswerten Teiles einer Halbwelle der Netzspannung die Anlaufsteuereinrichtung
so eingeschaltet wird, wie sie beim Einschalten des Netztransformators arbeitet,
so daß also die Leistungshalbleiter wieder jeweils innerhalb der zweiten Hälfte
der Halbwellender zu schaltenden Spannung zunächst nur kurzzeitig und dann zunehmend
länger und früher durchgeschaltet werden bis zum Erreichen des Spannungsmaximums,
worauf die Leistungshalbleiter dann wiederum mit einer Gleichspannung gesteuert
werden.
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Um eine Zerstörung der schaltbaren Leistungshalbleiter beim Umschaltvorgang
der Transformatoranzapfungen zu vermeiden, sollte verhindert werden, daß mehrere
Leistungshalbleiter gleichzeitig Strom führen. Deshalb ist eine Uberwachungsein
richtung für die über den Leistungshalbleitern liegende Spannung vorgesehen zur
Blockierung der Umschaltung der Transformetoranzapfungen bei noch stromführenden
Leistungshalbleitern. Die Uberwachungseinrichtung mißt die Spannungen an den Leistungshalbleitern.
Erst wenn die Leistungshalbleiter verlöschen, steigen diese Spannungen an und die
Uberwachungseinrichtung gibt den Umschaltbefehl frei, der von einer Netzspannungsüberwachung
kommt, wo die Netzspannungsamplitude mit einer Referenzspannung verglichen wird
und daraus der Umschaltbefehl abgeleitet wird. Wenn die Netzspannungsüberwachung
die Notwendigkeit einer Umschaltung auf eine andere Transformatoranzapfung erkennt,
wird sofort die Gleichspannungsansteuerung des jeweils leitenden Leistungshalbleiters
blockiert. Im Stromnulldurchgang erlischt der Leistungshalbleiter, die Spannung
an diesem Leistungshalbleiter steigt an, der Umschaltbefehl wird von der Uberwachungseinrichtung
freigegeben. Dieser Umschaltvorgang kann sowohl während des Anlaufs als auch während
des Betriebs mit Gleichstromansteuerung der Leistungshalbleiter erfolgen, ohne die
Betriebsart zu beeinträchtigen. Die Umschaltung erfolgt unterbrechungsfrei.
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Anhand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße
Stromversorgungsschaltung näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt ein Wirkungsgraddiagramm, Fig. 2 ein Blockschaltbild
und Pig. 3 den Verlauf einiger Spannungen und Ströme beim Einschalten der Stromversorgungsschaltung
nach Fig. 2 im Leerlauf mit sekundärseitigem Siebkondensator am Transformator.
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Bei der Darstellung des Wirkungsgrades XL in Prozent in Abhängigkeit
von der Netzspannung in Volt ist in Fig. 1 von einer Stromversorgungsschaltung mit
Linearregler ausgegangen worden, die an einem Netz mit großen Spannungsänderungen
betrieben
wird. Die untere Linie A zeigt, daß der Wirkungsgrad
mit steigender Netzspannung sinkt. Dem kann durch Umschalten von Transformatoranzapfungen
dergestalt entgegengewirkt werden, daß nunmehr in dem Diagramm nach Fig. 1 die Kennlinie
B wirksam ist. Dabei ist es noch unerheblich, ob die Umschaltung der Transformatoranzapfungen
mechanisch oder elektronisch erfolgt.
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Ds Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 bedient sich der elektronischen
Umschaltung und enthält eine Spannungsversorgung 1 für die Elektronik und die Ansteuerung
der hier als Leistungshalbleiter verwendeten Triacs 9, eine Netzspannungsüberwachung
2, worin die Netzsp2nnungsamplitude mit einer Referenzspannung verglichen und ein
Umschaltbefehl abgeleitet wird, eine Uberwachungseinrichtung 3 für die über den
Leistungshalbleitern liegende Spannung, eine Netzausfallüberwachung 4, einen Umschalter
5, eine Anlaufsteuereinrichtung 6 und Leistungsendstufen 8 (L1, L2 ... In), welche
den für die Ansteuerung der Triacs 9 erforderlichen Strom liefern. Mit den als schaltbare
Leistungshalbleiter dienenden Triacs 9 werden primärseitig liegende Anzapfungen
des Transformators 10 umgeschaltet. Zugleich wird aber der Transformator 10, der
über die Triacs 9 an einer der Netzklemmen 13 und 14 liegt, auch eingeschaltet.
Beim Einschalten kann der Transformator 10, dem sekundärseitig eine Gleichrichterbrücke
11 und ein Kondensator 12 nachgeschalzur tet ist, sekundärseitig bis/Nennlast belastet
sein. Der Einschaltbefehl gelangt über den Eingang 15 und einen zur Potentialtrennung
dienenden Optokoppler 16 zur Anlaufsteuereinrichtung 6.
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Die Einrichtung, der an den Klemmen 13 und 14 die Netzspannung mit
dem Kurvenverlauf der Fig. 3a zugeführt wird, arbeitet nun nach dem Eintreffen eines
Einschaltbefehles über den Optokoppler 16 wie folgt:
Durch Vergleich
einer unsymmetrischen Sägezahnspannung doppelter Netzfrequenz mit einer im Verlaufe
mehrerer Perioden der Netzfrequenz langsam ansteigenden oder abfallenden Rampenspannung
entsteht am Ausgang der Anlaufsteuereinrichtung 6 eine Folge von negativen Impulsen
zunehmender Länge, wie sie in Fig. 3b dargestellt sind. Der erste dieser Impulse
(ganz links in Fig. 3b) beginnt kurz vor dem Ende der ersten Halbwelle der Netzspannung
in Fig. 3a und endet mit dem darauf folgenden Nulldurchgang der ersten Halbwelle.
Der nächste negative Impuls nach Fig. 3b beginnt bereits etwas früher vor dem nächsten
Nulldurchgang der Netzspannung und dieses fortschreitend immer früher innerhalb
einer Halbwelle der Netzspannung beginnende Einsetzen der negativen Impulse, das
zugleich zu deren fortschreitender Verlängerung führt, setzt sich solange fort,
bis das Netzspannungsmaximum erreicht ist (Zeitpunkt t1).
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Der Impuls zug von der Zeit to bis tl gemäß Fig. 3b gelangt vom Ausgang
der Anlaufsteuereinrichtung 6 über eines der Nand-Gatter 7 (U1, U2 .... Un) und
eine der Leistungsendstufen 8 (L1, L2 ... Ln) zu einem der Triacs 9, der daraufhin
bei jedem negativen Ansteuerungsimpuls gemäß Fig. 3b durchgesteuert wird, so daß
an diesem Triac der Spannungsverlauf gemäß Fig. 3c entsteht. Die zugehörigen Einschaltströme
durch den betreffenden Triac sind in Fig. 3d dargestellt.
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Bisher wurden nur die Spannungs- und Stromverläufe bis zum Zeitpunkt
t1 beschrieben, an welchem die negativen Impulse nach Fig. 3b das Spannungsmaximum
erreicht haben. Würden diese negativen Impulse nach dem Zeitpunkt t1 durch jeweils
noch früheres Einsetzen weiter verlängert werden, so würde es infolge der unterschiedlichen
Halteströme der Triacs in der positiven bzw. negativen Richtung und durch die Phasenverschiebung
zwischen dem Strom, der durch den Triac fließt, und der am Triac liegenden Spannung
zu folgenden Schwierigkeiten kommen: Der Leistungshalbleiterkönnte in einer Richtung
(d.h. innerhalb
der Halbwellen einer Polarität) nicht mehr erlöschen.
Dadurch würde es zur unerwünschten Vormagnetisierung und Sättigung des Transformators
kommen.
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Diese Schwierigkeiten werden dadurch vermieden, daß in der Anlaufsteuereinrichtung
6 ein selbsttätiges Schaltglied enthalten ist, das während des Einschaltvorganges
dann, wenn die Anfänge der zunehmend früher beginnenden Durchschaltzeiten eines
Triacs die Nähe eines Maximums der am Triac liegenden, zu schaltenden Spannung erreicheWU,/fGleichspannungsansteuerung
umschaltet, indem nämlich die Ausgangsspannung gemäß Fig. 3b der Anlaufsteuereinrichtung
6 von der Impulsform vor der Zeit t1 auf die Gleichspannung nach der Zeit t1 umgeschaltet
wird. Der durch die Anlaufsteuereinrichtung 6 gesteuerte Triac bleibt deshalb daraufhin
ständig durchgeschaltet, so daß die Spannung an ihm gemäß Fig. 3c auf Dauer zusammenbricht.
Der Einschaltstrom gemäß Fig.
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3d erfährt dadurch kurz nach der Zeit t1 zwar einige Uberhöhungen,
die sich aber in erträglichen Grenzen halten (Ladestrom für den Siebkondensator
12).
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M.it den bisher beschriebenen Mitteln kann also die gewünschte Begrenzung
des Einschaltstromes der Stromversorgungsschaltung erreicht werden. Wie gering der
dafür erforderliche Aufwand ist, wird aber erst deutlich, wenn berücksichtigt wird,
daß ein Teil der bis jetzt beschriebenen Mittel ohnehin für andere Zwecke bereits
benötigt wird, nämlich für die Steuerung der Umschaltung der primärseitigen Transformatoranzapfungen
durch die Triacs 9 beim Uber- oder Unterschreiten einer bestimmten Netzspannung
von beispielsweise 210 V, damit durch Ubergehen von einer der Kennlinien A, B nach
Fig. 1 auf eine andere die im Zusammenhang mit Fig. 1 besprochene Wirkungsgradverbesserung
erreicht werden kann: Für diese Zwecke ist die Netzspsnnungsüberwachung 2 vorgesehen,
die beim Uber- oder Unterschreiten des Netzspannungswertes von z.B. 210 V ein logisches
Signal an den Eingang A des Umschalters 5 abgibt. Dadurch werden vorübergehend die
Ausgänge Q1 bis Qn gesperrt, bis am Eingang B ein Taktimpuls eintrifft.
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Dieser Taktimpuls kommt von der Uberwachungseinrichtung 3 dann, wenn
die Spannung an den Triaca 9 ansteigt; dann nämlich sind die Triacs erloschen und
die Umschaltung von einem auf den anderen Triac kann erfolgen, ohne daß die Gefahr
besteht, daß beide Triacs gleichzeitig Strom führen.
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Ist also der Taktimpuls nach dem nächsten Netzspannungsnulldurchgang,
also beim Erlöschen des stromführenden Triacs am Eingang B eingetroffen, so wird
das logische Signal von der Netzspannungsüberwachung 2 zum betreffenden der Ausgänge
Q7 bis Qn weitergegeben. Das hat zur Folge, daß statt derjenigen Leistungsendstufe,
die bisher einen Triac angesteuert hatte, nunmehr eine benachbarte einen benachbarten
Triac ansteuert, so daß die Umschaltung von einer Transwormatoranzapfung auf eine
andere durchgeführt ist. Es ist ersichtlich, daß der Schaltungsaufbau durch die
Kombination der Schaltungsteile für die Umschaltung der Transformatoranzapfungen
mit der Anlaufsteuereinrichtung sehr einfach ist.
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Zusätzlich läßt sich noch eine weitere Einrichtung zur Vermeidung
unerwünschter Stromspitzen in die Schaltung integrieren, nämlich die Netzausfallüberwachung
4. Sie dient dazu, Stromspitzen, welche z.B. durch den Transformator bei Ausfall
von nur einer Halbwelle der Netzspannung auftreten, zu vermeiden.
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Fehlt eine solche Halbwelle, so gibt die Netzausfallüberwachung 4
ein Signal an die Anlauf-Steuereinrichtung 6 ab, durch welches die Anlaufsteuereinrichtung
von dem Zustand, in welchem sie nach der Zeit t1 lediglich eine Gleichspannung abgibt,
zurückgeschaltet wird in den Zustand, wie er in Fig. 3 zwischen den Zeilen to bis
t1 dargestellt ist. Das bedeutet, daß kurzfristig die zuvor von der Anlaufsteuereinrichtung
6 abgegebene Gleichspannung gesperrt und durch eine Folge zunehmend länger werdender
Impulse ersetzt wird.
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Durch die in Fig. 2 dargestellte und nach Fig. 3 arbeitende Stromversorgungsschaltung
kann die Umschaltung der Transformatoranzapfungen unterbrechungsfrei erfolgen; das
Gerät im Leerlauf oder unter Teil- oder Vollast eingeschaltet werden, ohne daß die
Stromversorgungsschaltung Schaden erleidet, der-Einschaltstrom kann klein gehalten
werden, Netzfrequenzänderungen, Netzausfälle oder das Schalterprellen beim Ein-
oder Ausschalten des Netzes bleiben ohne Einfluß. Die Stromversorgungsschaltung
eignet sich infolge ihrer Eigenschaften insbesondere zur Anwendung dort, wo starke
Netzspannungsschwankungen auftreten, denn durch die selbsttätige Umschaltung der
Transformatoranzapfungen mit Hilfe schaltbarerLeistungshalbleiter kann der Wirkungsgrad
ständig relativ hoch gehalten werden und es werden sowohl beim Einschalten, Umschalten
als auch bei Netzausfällen Stromspitzen vermieden. Dies alles führt dazu, daß der
Transformator, Gleichrichterelemente, schaltbare Leistungshalbleiter und deren Kühlkörper
knapp dimensioniert werden können, was zu einer Verbilligung führt.
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