DE2745586C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungsschaltung mit umschalt­ baren Transformatoranzapfungen, wie im Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1 angegeben.

Stromversorgungsschaltungen mit umschaltbaren Transformatoranzap­ fungen sind bekannt. Sie können beispielsweise zur Verbesserung des Wirkungsgrades von Netzteilen mit Linearregler benutzt werden. In diesem Fall ist nämlich der Wirkungsgrad bei hoher Spannung be­ sonders schlecht und eine Verbesserung kann dadurch erreicht wer­ den, daß in Abhängigkeit von der Netzspannung Anzapfungen am Netz­ transformator umgeschaltet werden. Zum Durchschalten der Spannung auf die Transformatoranzapfungen eignen sich vor allem steuerbare Leistungshalbleiter (Triacs, Thyristoren).

Eine derartige Stromversorgungsschaltung ist beispielsweise aus der DE-OS 24 57 807 bekannt, wo ein veränderlicher Heizwiderstand über einen Stufentransformator mit mehreren umschaltbaren primär­ seitigen Anzapfungen versorgt wird. In den Zuleitungen zu den pri­ märseitigen Zuleitungen sind steuerbare Wechselstromsteller ange­ ordnet. Eine weitgehend gleich aufgebaute Schaltung ist aus "Siemens- Zeitschrift", 1973, Heft 3, S. 160-163, bekannt.

Bei beiden Literaturstellen ist auch angegeben, daß bei indukti­ ver Last zusätzliche Stromflußüberwachungsschaltungen vorzusehen sind, um auch den Nulldurchgang des gegen die Spannung phasenver­ schobenen Stroms festzustellen, da erst nach dem Nulldurchgang von Spannung und Strom in einem Ventil des einen Stellers ein Ven­ til des anderen Stellers gezündet werden darf.

Unzulässig hohe primärseitige Ströme können neben dem Kurzschluß über verschiedene, gleichzeitig durchgeschaltete Ventile auch da­ durch entstehen, daß ein sekundärseitiger Siebkondensator beim Ein­ schalten des Transformators als sekundärseitiger Kurzschluß wirkt, oder daß durch unterschiedliche Halteströme der Leistungshalblei­ ter in positiver bzw. negativer Richtung sich eine Gleichstrommag­ netisierung des Transformators aufbaut. Diese Betriebszustände sind bei einer Stromversorgungsschaltung für verschiedene Last­ fälle zu berücksichtigen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Stromversor­ gungsschaltung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschrie­ benen Art anzugeben, welche ohne zusätzliche Überwachungs- und Be­ grenzungseinrichtungen eine Überlastung der Leistungshalbleiter bei den verschiedenen Lastfällen zuverlässig vermeidet.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist durch die kennzeich­ nenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gegeben. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Wechselnde Lastfälle stellen sich besonders anschaulich dar für den Einschaltvorgang einer Stromversorgung mit verzögerter Belastung der Sekundärseite durch das zu versorgende Gerät.

Im Moment des Einschaltens stellt der sekundärseitige Siebkonden­ sator zu Beginn des Aufladevorgangs nahezu einen Kurzschluß dar. Die erfindungsgemäße Steuerung der Leistungshalbleiter, wonach diese beim Einschalten der gesamten Stromversorgungsschaltung zu­ nächst nur gegen Ende jeweils einer Halbwelle der zu schaltenden Spannung nur kurzzeitig und dann zunehmend länger und früher durch­ geschaltet werden, bewirkt, daß der anfängliche Ladestrom des Kon­ densators durch die sehr kurzen Durchschaltzeiten gering gehalten wird, während bei zunehmender Durchschaltdauer der Kondensator be­ reits teilgeladen ist und keinen Kurzschluß mehr darstellt. Es er­ folgt also während des Einschaltvorgangs eine Phasenanschnitts­ steuerung mit definierter Phase, wobei der jeweilige Beginn des Phasenabschnitts fortschreitend früher einsetzt.

Solange der Transformator leerläuft oder nur mit sekundärseitigen Siebkondensatoren belastet ist, also für das Netz, an dem er be­ trieben wird, eine induktive Last darstellt, eilt die Phase des zu schaltenden Stroms gegenüber der zu schaltenden Spannung nach, und zwar im Extremfall bis zu 90°. Für diesen Betriebszustand hat es sich als vorteilhaft erwiesen, schaltbare Leistungshalbleiter, beispielsweise Thyristoren oder Triacs, mit Gleichstrom zu steuern. Durch diese Betriebsweise können auch Schwierigkeiten durch die un­ terschiedlichen Halteströme der Leistungshalbleiter in der positi­ ven bzw. negativen Richtung vermieden werden, die eine unerwünsch­ te Gleichstrommagnetisierung des Transformators hervorrufen würden. Die Erfindung sieht daher vor, die Anlaufsteuereinrichtung so aus­ zugestalten, daß die Phasenanschnittssteuerung nur solange im­ mer früher einsetzt, bis das Maximum der durchzuschaltenden Span­ nung erreicht ist, und dann die Steuerung der Leistungshalbleiter durch eine Gleichspannung fortzusetzen. Hierzu kann die Anlaufsteuer­ einrichtung ein selbsttätiges Schaltglied enthalten, das beim Ein­ schaltvorgang dann, wenn der Beginn der zunehmend früher beginnen­ den Durchschaltzeiten die Nähe des Spannungsmaximums erreicht, an­ schließend auf fortwährende Gleichstromansteuerung über die Länge einer Periodendauer hinaus umschaltet.

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 Netztransforma­ tors arbeitet, so daß also die Leistungshalbleiter wieder jeweils innerhalb der zweiten Hälfte der Halbwellen der zu schaltenden Spannung zunächst nur kurzzeitig und dann zunehmend länger und frü­ her durchgeschaltet werden bis zum Erreichen des Spannungsmaximums, worauf die Leistungshalbleiter dann wiederum mit einer Gleichspan­ nung gesteuert werden.

Um eine Zerstörung der schaltbaren Leistungshalbleiter beim Umschaltvorgang der Transformatoranzapfungen zu vermeiden, sollte verhindert werden, daß mehrere Leistungshalbleiter gleichzeitig Strom führen. Deshalb ist eine Überwachungsein­ richtung für die über den Leistungshalbleitern liegende Spannung vorgesehen zur Blockierung der Umschaltung der Trans­ formatoranzapfungen bei noch stromführenden Leistungshalb­ leitern. Die Überwachungseinrichtung mißt die Spannungen an den Leistungshalbleitern. Erst wenn die Leistungshalbleiter verlöschen, steigen diese Spannungen an und die Überwachungs­ einrichtung gibt den Umschaltbefehl frei, der von einer Netz­ spannungsüberwachung kommt, wo die Netzspannungsamplitude mit einer Referenzspannung verglichen wird und daraus der Umschalt­ befehl abgeleitet wird. Wenn die Netzspannungsüberwachung die Notwendigkeit einer Umschaltung auf eine andere Transformator­ anzapfung erkennt, wird sofort die Gleichspannungsansteuerung des jeweils leitenden Leistungshalbleiters blockiert. Im Strom­ nulldurchgang erlischt der Leistungshalbleiter, die Spannung an diesem Leistungshalbleiter steigt an, der Umschaltbefehl wird von der Überwachungseinrichtung freigegeben. Dieser Um­ schaltvorgang kann sowohl während des Anlaufs als auch während des Betriebs mit Gleichstromansteuerung der Leistungshalbleiter erfolgen, ohne die Betriebsart zu beeinträchtigen. Die Umschal­ tung erfolgt unterbrechungsfrei.

Anhand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Stromversorgungsschaltung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Wirkungsdiagramm,

Fig. 2 ein Blockschaltbild und

Fig. 3 den Verlauf einiger Spannungen und Ströme beim Einschal­ ten der Stromversorgungsschaltung nach Fig. 2 im Leer­ lauf mit sekundärseitigem Siebkondensator am Transfor­ mator.

Bei der Darstellung des Wirkungsgrades η in Prozent in Abhängig­ keit von der Netzspannung in Volt ist in Fig. 1 von einer Strom­ versorgungsschaltung mit Linearregler ausgegangen worden, die an einem Netz mit großen Spannungsänderungen be­ trieben 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 wirk­ sam ist. Dabei ist es noch unerheblich, ob die Umschaltung der Transformatoranzapfungen mechanisch oder elektronisch er­ folgt.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 bedient sich der elektro­ nischen Umschaltung und enthält eine Spannungsversorgung 1 für die Elektronik und die Ansteuerung der hier als Leistungshalb­ leiter verwendeten Triacs 9, eine Netzspannungsüberwachung 2, worin die Netzspannungsamplitude mit einer Referenzspannung verglichen und ein Umschaltbefehl abgeleitet wird, eine Über­ wachungseinrichtung 3 für die über den Leistungshalbleitern liegende Spannung, eine Netzausfallüberwachung 4, einen Umschal­ ter 5, eine Anlaufsteuereinrichtung 6 und Leistungsendstufen 8 (L 1, L 2 . . . Ln), welche den für die Ansteuerung der Triacs 9 erforderlichen Strom liefern. Mit den als schaltbare Leistungshalbleiter dienenden Triacs 9 werden primärseitig lie­ gende 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 Ein­ schalten kann der Transformator 10, dem sekundärseitig eine Gleichrichterbrücke 11 und ein Kondensator 12 nachgeschal­ tet ist, sekundärseitig bis zur Nennlast belastet sein. Der Einschaltbefehl gelangt über den Eingang 15 und einen zur Potentialtrennung dienenden Optokoppler 16 zur Anlaufsteuer­ einrichtung 6.

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 Opto­ koppler 16 wie folgt:

Durch Vergleich einer unsymmetrischen Sägezahnspannung doppel­ ter Netzfrequenz mit einer im Verlaufe mehrerer Perioden der Netzfrequenz langsam ansteigenden oder abfallenden Rampen­ spannung 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 Halb­ welle der Netzspannung in Fig. 3a und endet mit dem darauf fol­ genden Nulldurchgang der ersten Halbwelle. Der nächste negative Impuls nach Fig. 3b beginnt bereits etwas früher vor dem nächsten Nulldurchgang der Netzspannung und dieses fortschrei­ tend 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 t 1).

Der Impulszug von der Zeit to bis t 1 gemäß Fig. 3b gelangt vom Ausgang der Anlaufsteuereinrichtung 6 über eines der Nand- Gatter 7 (U 1, U 2, . . . Un) und eine der Leistungsendstufen 8 (L 1, L 2 . . . 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 betreffen­ den Triac sind in Fig. 3d dargestellt.

Bisher wurden nur die Spannungs- und Stromverläufe bis zum Zeitpunkt t 1 beschrieben, an welchem die negativen Impulse nach Fig. 3b das Spannungsmaximum erreicht haben. Würden diese negativen Impulse nach dem Zeitpunkt t 1 durch jeweils noch früheres Einsetzen weiter verlängert werden, so würde es in­ folge der unterschiedlichen Halteströme der Triacs in der posi­ tiven 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 Leistungshalbleiter könnte in einer Richtung (d. h. innerhalb der Halbwellen einer Polarität) nicht mehr erlöschen. Dadurch würde es zur unerwünschten Vormagnetisierung und Sättigung des Transformators kommen.

Diese Schwierigkeiten werden dadurch vermieden, daß in der An­ laufsteuereinrichtung 6 ein selbsttätiges Schaltbild 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 erreichen, auf Gleichspannungsansteuerung umschaltet, in­ dem nämlich die Ausgangsspannung gemäß Fig. 3b der Anlaufsteuer­ einrichtung 6 von der Impulsform vor der Zeit t 1 auf die Gleich­ spannung nach der Zeit t 1 umgeschaltet wird. Der durch die An­ laufsteuereinrichtung 6 gesteuerte Triac bleibt deshalb daraufhin ständig durchgeschaltet, so daß die Spannung an ihm gemäß Fig. 3c auf Dauer zusammenbricht. Der Einschaltstrom gemäß Fig. 3d erfährt dadurch kurz nach der Zeit t 1 zwar einige Überhöhungen, die sich aber in erträglichen Grenzen halten (Ladestrom für den Siebkondensator 12).

Mit 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 be­ reits benötigt wird, nämlich für die Steuerung der Umschaltung der primärseitigen Transformatoranzapfungen durch die Triacs 9 beim Über- oder Unterschreiten einer bestimmten Netzspannung von beispielsweise 210 V, damit durch Übergehen von einer der Kenn­ linien A, B nach Fig. 1 auf eine andere die im Zusammenhang mit Fig. 1 besprochene Wirkungsgradverbesserung erreicht werden kann: Für diese Zwecke ist die Netzspannungsüberwachung 2 vor­ gesehen, die beim Über- oder Unterschreiten des Netzspannungs­ wertes von z. B. 210 V ein logisches Signal an den Eingang A des Umschalters 5 abgibt. Dadurch werden vorübergehend die Ausgänge Q 1 bis Qn gesperrt, bis am Eingang B ein Taktimpuls eintrifft.

Dieser Taktimpuls kommt von der Überwachungseinrichtung 3 dann, wenn die Spannung an den Triacs 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.

Ist also der Taktimpuls nach dem nächsten Netzspannungsnull­ durchgang, also beim Erlöschen des stromführenden Triacs am Eingang B eingetroffen, so wird das logische Signal von der Netzspannungsüberwachung 2 zum betreffenden der Ausgänge Q 1 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 Transformatoranzapfung auf eine andere durchgeführt ist. Es ist ersichtlich, daß der Schaltungsaufbau durch die Kombination der Schaltungsteile für die Umschaltung der Transformatoranzapfungen mit der Anlauf­ steuereinrichtung sehr einfach ist.

Zusätzlich läßt sich noch eine weitere Einrichtung zur Vermei­ dung unerwünschter Stromspitzen in die Schaltung integrieren, nämlich die Netzausfallüberwachung 4. Sie dient dazu, Strom­ spitzen, welche z. B. durch den Transformator bei Ausfall von nur einer Halbwelle der Netzspannung auftreten, zu vermeiden. 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 t 1 lediglich eine Gleichspannung abgibt, zurück­ geschaltet wird in den Zustand, wie er in Fig. 3 zwischen den Zeiten to bis t 1 dargestellt ist. Das bedeutet, daß kurzfristig die zuvor von der Anlaufsteuereinrichtung 6 abgegebene Gleich­ spannung gesperrt und durch eine Folge zunehmend länger werden­ der Impulse ersetzt wird.

Durch die in Fig. 2 dargestellte und nach Fig. 3 arbeitende Stromversorgungsschaltung kann die Umschaltung der Transfor­ matoranzapfungen unterbrechungsfrei erfolgen; das Gerät im Leerlauf der unter Teil- oder Vollast eingeschaltet werden, ohne daß die Stromversorgungsschaltung Schaden erleidet, der Einschaltstrom kann klein gehalten werden, Netzfrequenzände­ rungen, Netzausfälle oder das Schalterprellen beim Ein- oder Ausschalten des Netzes bleiben ohne Einfluß. Die Stromver­ sorgungsschaltung eignet sich infolge ihrer Eigenschaften insbesondere zur Anwendung dort, wo starke Netzspannungsschwan­ kungen auftreten, denn durch die selbsttätige Umschaltung der Transformatoranzapfungen mit Hilfe schaltbarer Leistungshalb­ leiter 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.

Claims (4)

1. Stromversorgungsschaltung mit umschaltbaren Transformatoran­ zapfungen auf der Primärseite des Transformators, bei der in den Zuleitungen zu den Transformatoranzapfungen Leistungshalbleiter angeordnet sind, die mittels eines Umschalters umschaltbar und durch eine Steuereinrichtung steuerbar sind, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Steuereinrichtung (6) beim Einschalten des Transformators (10) die Leistungshalbleiter (9) jeweils innerhalb der zweiten Hälfte einer Halbwelle der zu schaltenden Spannung zunächst nur kurzzeitig und dann zunehmend länger und früher durchschaltet, bis der Beginn der Durchschaltzeit beim Maximum der zu schaltenden Spannung liegt, und daß die Steuereinrichtung (6) danach umschaltet auf dauerndes Durchschalten der Leistungshalbleiter auch über die Dauer einer Halbwelle hinaus.

2. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Netzausfallüberwachung (4) vorgesehen ist, die auch bei nur kurzzeitigem Ausfall der zu schaltenden Spannung die Steuereinrichtung in einen Zustand wie beim Einschalten des Trans­ formators zurücksetzt.

3. Stromversorgungsschaltung nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß für unterbrechungsfreie Umschal­ tung eine Überwachungseinrichtung (3) vorgesehen ist zur Blockie­ rung der Umschaltung zwischen den Transformatoranzapfungen, so­ lange ein schaltbarer Leistungshalbleiter (9) stromführend ist.

4. Stromversorgungsschaltung nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungshalbleiter Triacs (9) oder antiparallel geschaltete Thyristoren sind.