DE2801391B1 - Gleichspannungswandler - Google Patents

Description

• Aus der DE-AS 1254202 und der US-PS 33 27 202 sind von einer Gleichspannungsquelle gespeiste Gleichspannungswandler mit einem ausgangsseitigen Glättungskondensator zur Speisung einer Last bekannt, bei denen im Längszweig vor dem Glättungskondensator eine Reihenschaltung aus einer Drosselspule und einer Entkopplungsdiode liegt und in einem Querzweig parallel zur Reihenschaltung aus dem Gleichspannungseingang und der Drosselspule ein getakteter Schalter angeordnet ist. Bei diesen Gleichspannungswandlern ist ein Thyristor mit Löscheinrichtung bzw. ein Transistor als getakteter Schalter eingesetzt. Die Ausgangsspannung wird durch Veränderung des Tastverhältnisses des getakteten Schalters gesteuert bzw. mittels eines Reglers geregelt, dem die geglättete Spannung des Glättungskondensators als Istwert und der Sollwert dieser Spannung zugeführt ist.
• In einer Ausführungsform des Gleichspannungswandlers zur Speisung einer Last mit einer unter der Spannung des Glättungskondensators liegenden Spannung kann paralle zum Glättungskondensator die Reihenschaltung eines weiteren, durch eine weitere Regelanordnung gesteuerten Schalters und einer Freilaufdiode angeordnet sein, wobei parallel zur Freilaufdiode eine weitere Drosselspule und ein weiterer Kondensator angeordnet sind und wobei die Last mit den Klemmen des weiteren Kondensators verbunden ist. Damit wird in dem weiteren Ko" nsator, der die Last speist, durch das Schließen des weiteren Schalters Energie aus dem Glättungskondensator eingespeist. In dieser vorteilhaften Ausführungsform ist auch die Speisung von Lasten mit niedriger Versorgungsgleichspannung ermöglicht.
• Hierfür ist es vorteilhaft, wenn die weitere Regelanordnung einen Spannungsregler aufweist, der Soll- und Istwert der Lastspannung verarbeitet und auf einen Stromregler einwirkt, dem zusätzlich als Istwert der in der weiteren Drosselspule fließende Stromwert zugeführt ist und dessen Ausgangssignal einen Impulsbreitenmodulator steuert, der das Tastverhältnis für den weiteren Schalter vorgibt Die eingesetzten Regler und der Impulsbreitenmodulator können handelsübliche Komponenten sein, die preisgünstig zu erhalten sind.
• Im folgenden wird die Erfindung in den F i g. 1 bis 6 anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
• Dabei zeigt F i g. 1 das Schaltbild des Leistungsteils eines erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers, Fig.2 die erfindungsgemäße Regelanordnung zum Betrieb des Gleichspannungswandlers, Fig.3 ein Spannungs-Zeit-Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers, F i g. 4 eine Ausführungsform des Schalters in F i g. 1, Fig.S ein Ausführungsbeispiel des Leistungsteils eines erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers zur Speisung einer Last mit einer Spannung, die unterhalb der Spannung des Glättungskondensators liegt, und F i g. 6 die zugehörige weitere Regelanordnung.
• Das in F i g. 1 dargestellte Schaltbild des Gleichspannungswandlers zeigt einen Gleichrichter 2 in einphasiger Brückenschaltung mit den ungesteuerten Stromrichterventilen 3 bis 6. An den Eingangsklemmen 7 und 8 des Gleichrichters 2 liegt eine einphasige Wechselspannung Ues An die Ausgangsklemmen 9 und 10 des Gleichrichters 2 ist eine Serienschaltung aus einer Drosselspule 11, einer Entkopplungsdiode 12 und einem Glättungskondensator 13 angeschlossen. Der Schalter 14 liegt einerseits am gemeinsamen Anschluß der Drosselspule 11 und der Entkopplungsdiode 12, andererseits an der Ausgangsklemme 10 des Gleichrichters 2. Die Anschlüsse des Glättungskondensators 13 bilden gleichzeitig die Ausgangsklemmen 16 und 17 des Gleichspannungswandlers 1, an die eine Last 18 angeschlossen ist. Die am Glättungskondensator 13 anstehende Ausgangsspannung it mit U13 bezeichnet Die in Fig.2 dargestellte Regelanordnung weist eingangsseitig ein Glättungsglied 20 auf, das der weiteren Glättung der am Glättungskondensator 13 anstehenden Spannung U13 dient. Die Ausgangsspannung des Glättungsgliedes 20 sowie der Sollwert der am Glättungskondensator anstehenden Spannung U13sou sind dem Regler 21 zugeführt, der in Abhängigkeit von der Sollwert-Istwert-Differenz eine Reglerausgangsgleichspannung V abgibt. Die Reglerausgangsgleichspannung V wird in einem Multiplikator 22 mit der ungeglätteten gleichgerichteten Netzspannung UN 1 oder einem beispielsweise an einem ohmschen Spannungsteiler abgegriffenen Teil davon multipliziert. Das Ausgangssignal I UN I des Multiplikators 22 wird in dem Hystereseverhalten aufweisenden Komparator 23 mit einem den Ausgangsstrom i1 des Gleichrichters 2 nachbildenden Istwertsignal verglichen. Der Komparator 23 steuert - entsprechend dem Ergebnis des in ihm durchgeführten Vergleiches - den Schalter 14.
• Zur Erläuterung der Wirkungsweise des in den F i g. 1 und 2 dargestellten Gleichspannungswandlers wird Bezug auf Fig.3 genommen. Dabei wird davon ausgegangen, daß die Spannung U13 am Glättungskondensator 13 zu Beginn der Betrachtung größer ist als der Scheitelwert der Netzspannung, jedoch kleiner als der Sollwert der mit der Sapnnung U13 am Glättungskondensator übereinstimmenden Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers. Aus der Differenz von Istwert Ul3 und Sollwert Ul3SOO der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers ermittelt der Regler 21 eine proportionale Reglerausgangsgleichspannung V Diese Reglerausgangsgleichspannung V beeinflußt als Faktor das Ausgangssingnal I 1 UM Vdes Multiplikators 22. Das Ausgangssignal 1 UM V des Multiplikators 22, das in F i g. 3 dargestellt ist, stellt eine pulsierende Gleichspannung aus pausenlos aufeinanderfolgenden sinusförmigen Halbwellen gleicher Polarität dar, deren Amplitude proportional zu Vist. Diese Reglerausgangsgleichspannung IUh UM Vdient als Sollwertsignal für den Hystereseverhalten aufweisenden Komparator 23. Die Größe der Hysterese des Komparators 23 bestimmt die Breite des Toleranzbandes d um den Sollwert | UM - V derart, daß eine Obergrenze des Toleranzbandes G1 = UM. V + 21/2 zustandekommt, die um den Wert 21/2 über dem pulsierenden Gleichspannungssignal | UH UM v sowie eine Untergrenze G2=lU9-V-V-l/2, die um den Wert /2 unterhalb des Sollwertes ILI 1 UM V, liegt, zustandekommt. Die genannten Größen I 1 UM V G1 und G2 sind in Fig 3 eingezeichnet Im Zeitpunkt t = 0 ist F i g. 3 ist der Schalter 14 geschlossen. Damit sind die Ausgangsklemmen 9 und 10 des Gleichrichters 2 über die Drosselspule 11 kurzgeschlossen. Dies fuhrt zu einem Stromanstieg in der Drosselspule 11, der durch d11/dt = + LWL" sin ot (+ Û: Amplitude der pulsierenden Gleichspannung am Gleichrichterausgang) beschrieben wird. Erreicht der Ausgangsstrom 1 des Gleichrichters 2 die Obergrenze des Toleranzbandes G1 in Punkt a, wird durch den Komparator 23 der Schalter 14 geöffnet. Der die Drosselspule 11 durchfließende Strom i1 fließt nun über die Entkopplungsdiode 12 und den Glättungskondensator weiter, wobei der Glättungskondensator 13 weiter aufgeladen wird. Da der Ausgangsstrom des Gleichrichters il nun gegen die über der Ausgangsspannung des Gleichrichters 2 liegende Spannung U13 am Glättungskondensator fließt, nimmt er entsprechend der Beziehung diildt = (+ ÜN sin wt- U13)/L11)/L11 ab (+ Û: Amplitude der pulsierenden Gleichspannung am Gleichrichterausgang). Erreicht der Gleichrichterausgangsstrom ii die Untergrenze G1 des durch das Hystereseverhalten des Komparators 23 vorgegebenen Toleranzbandes im Punkt b in F i g. 3, wird durch das Ausgangssignal des Komparators 23 der Schalter 14 wieder geschlossen, vorauf ein erneuter Stromanstieg in der Drosselspule 11 einsetzt, bis erneut die Obergrenze G2 des Toleranzbandes erreicht ist und der Schalter 14 wieder geöffnet wird. Damit oszillierte der Ausgangsstrom i, im Bereich des durch die G renzen G1 und G2 festgelegten Toleranzbandes um die aus sinusförmigen Halbwellen gleicher Stromflußrichtung bestehende Führungsgröße, so daß aus dem speisenden Netz ein in guter Näherung sinusförmiger Strom entnommen wird, der in Phase mit der Spannung des speisenden Netzes liegt. Damit werden unerwünschte Netzrückwirkungen durch den Gleichspannungswandler weitgehend vermieden, da sowohl dus Oberwellenbelastung als auch die Blindleistungsaufnahme für das speisende Netz stark reduziert ist. Dieser Vorteil bleibt auch bei einer Last 18 mit zeitlich schwankender Leistungsaufnahme erhalten, da die hierdurch bewirkten größeren oder kleineren Differenzen zwischen Sollwert Ui3soi1 und Istwert U13 an den Ausgangsklemmen des Gleichspannungswandlers über eine Vergrößerung bzw. Verkleinerung der Amplitude des aus sinusförmigen Halbwellen gleicher Polarität bestehenden Sollwertes ausgeregelt werden.
• Die die Größe des Toleranzbandes d bestimmene Hysterese des Komparators 23 bestimmt die Größe der Schwankungen des Stromistwertes i1 und der im speisenden Netz auftretenden Oberwellen. Bei hinreichender Kleinheit des Toleranzbandes ist eine sehr gute Annäherung des dem speisenden Netz entnommenen Stromes an einen idealen sinusförmigen Verlauf erreichbar, wobei eine Grenze für die Verkleinerung des Toleranzbandes durch die verfügbare Schaltgeschwindigkeit des Schalters 14 gegeben ist.
• F i g. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Schalters 14, wobei der Schalter 14 als Thyristorschalter ausgestaltet ist. Derartige Thyristorschalter sind beispielsweise im Zusammenhang mit Gleichstrompulswandlern bekannt.
• Hierzu wird beispielsweise auf das Buch mit dem Titel »Thyristoren« von Heumann/Stumpe, B.G.
• Teubner, Stuttgart, 1974, Seite 145, verwiesen. Der als eigentlicher Schalter dienende Thyristor 24 wird bei Erreichen der Untergrenze G2 des Toleranzbandes durch einen vom Komparator 23 ausgelösten Zündimpuls eingeschaltet. Diese Ansteuerung des Thyristors 24 erfolgt in bekannter Weise über einen hier nicht dargestellten Impulsverstärker und Impulsübertrager.
• Das Ausschalten des Thyristors 24 bei Erreichen der Obergrenze G1 des Toleranzbandes erfolgt durch ein vom Komparator 23 veranlaßtes Einschalten des Hilfsthyristors 25, worauf sich der Kommutierungskondensator 26 über den Thyristor 24 und die Strombegrenzungsdrossel 39 entlädt, so daß ein Stromnulldurchgang im Thyristor 24 und für die Dauer der Freiwerdezeit negative Sperrspannung an diesem auftritt Die parallel zum Hilfsthyristor 25 angeordnete Serienschaltung einer Drossel 27 und einer Diode 28 dient zur Umladung des Kommutierungskondensators 26, um diesen vor dem Löschzeitpunkt mit einer Spannung geeigneter Polarität zu versehen.
• F i g. 5 schließlich zeigt das Schaltbild einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers, mit der eine Last 18 mit einer Speisespannung U31 versorgt werden kann, die kleiner als der Scheitelwert der Netzspannung UN ist Dabei speist der Glättungskondensator 13 über die Serienschaltung eines weiteren Schalters 29 und einer weiteren Drosselspule 30 einen weiteren Kondensator 31. Der Serienschaltung aus der weiteren Drosselspule 30 sowie dem weiteren Kondensator 31 ist eine Freilaufdiode 32 parallel geschaltet. Die Anschlüsse des weiteren Kondensators 31 bilden gleichzeitig die Ausgangsklemmen 33 und 34 dieses modifizierten Gleichspannungswandlers.
• In F i g. 6 ist die weitere Regelanordnung dargestellt, die die Betätigung des weiteren Schalters 29 übernimmt.
• Einem Spannungsregler 35 ist der Sollwert U3150D und der Istwert der Lastspannung U31 zugeführt. Das Ausgangssignal U35 des Spannungsreglers und das Spannungsabbild des in der weiteren Drosselspule 30 fließenden Stromes iA bilden die Eingangssignale für einen nachgeschalteten Stromregler 36. Das Ausgangssignal U16 des Stromreglers 36 steht am Eingang eines bekannten Impulsbreitenmodulators 37 an, in dem aus den Schnittpunkten der Spannung U3s mit einer Dreiecksspannung eine Folge von Rechteckimpulsen gewonnen wird, deren Tastverhältnis das Tastverhältnis des weiteren Schalters 29 festlegt. Diese weitere Regelanordnung bewirkt somit, daß - entsprechend dem Spannungs- und Strombedarf der an den Ausgangsklemmen 33 und 34 des Gleichspannungswandlers liegenden Last 18 - Energie aus dem Glättungskondensator 13 durch das getaktete Schließen des weiteren Schalters 29 impulsweise in den weiteren Kondensator 31 überführt wird. Beim Schließen des Schalters 29 bewirkt die am Glättungskondensator 13 anstehende Spannung Ul3, die über der Spannung U31 am weiteren Kondensator 31 liegt, einen Stromanstieg in der weiteren Drosselspule 30. Nach dem Öffnen des weiteren Schalters 29 fließt der Strom iA in der Drosselspule weiter in einem Freilaufkreis, der aus der Parallelschaltung des weiteren Kondensators 31 mit der Last 18 sowie der dazu in Serie liegenden Diode 32 besteht.

Claims (3)

1. Patentansprüche: 1. Über einen Gleichrichter mit ungesteuerten Ventilen gespeister Gleichspannungswandler mit einem ausgangsseitigen Glättungskondensator zur Speisung einer Last, wobei der Gleichspannungswandler einen getakteten Schalter enthält, zu dessen Taktung eine Regelanordnung vorgesehen ist, der eine von der Netzwechselspannung abgeleitete Größe als Führungsgröße für den Sollwert des Eingangsstroms des Gleichspannungswandlers zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Längszweig des Gleichspannungswandlers zwischen dem Gleichrichter (2) und dem Glättungskondensator (13) eine Reihenschaltung aus einer Drossel und einer Entkopplungsdiode (12) liegt und der getaktete Schalter (14) in einem Querzweig des Gleichspannungswandlers parallel zur Reihenschaltung aus Gleichrichter (2) und Drossel (11) angeordnet ist und daß die Regelanordnung (19) einen Regler (21) aufweist, dem die geglättete Spannung (um3) des Glättungskondensators (13) als Istwert und der Sollwert dieser Spannung (Ul350//) zugeführt ist, daß ein Multiplikator (22) vorgesehen ist, dem die Ausgangsspannung (V) des Reglers (21) sowie die gleichgerichtete Netzspannung (l UO zugeführt ist, dessen Ausgangssignal (1 UM V) zusammen mit einem den Ausgangsstrom (il) des Gleichrichters (2) nachbildenden Istwertsignal einem Komparator (23) mit Hysterese zugeleitet ist, der den Schalter (14) steuert.
2. 2. Gleichspannungswandler nach Patentanspruch 1 zur Speisung einer Last mit einer unter der Spannung des Glättungskondensators liegenden Spannung, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Glättungskondensator (13) die Reihenschaltung eines weiteren, durch eine weitere Regelanordnung (38) gesteuerten Schalters (29) und einer Freilaufdiode (32) angeordnet ist, daß parallel zur Freilaufdiode (32) eine weitere Drosselspule (30) und ein weiterer Kondensator (31) angeordnet sind und daß die Last (18) mit den Klemmen (33, 34) des weiteren Kondensators (31) verbunden ist.
3. 3. Gleichspannungswandler nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Regelanordnung (38) einen Spannungsregler (35) aufweist, der Soll- (U31s0)und Istwert der Lastspannung (U31) verarbeitet und auf einen Stromregler (36) einwirkt, dem zusätzlich als Istwert der in der weiteren Drosselspule (30) fließende Strom (iA) zugeführt ist und dessen Ausgangssignal (U36) einen Impulsbreitenmodulator (37) steuert, der das Tastverhältnis für den weiteren Schalter (29) vorgibt.

   Die Erfindung betrifft einen über einen Gleichrichter mit ungesteuerten Ventilen gespeisten Gleichspannungswandler mit einem ausgangsseitigen Glättungskondensator zur Speisung einer Last, wobei der Gleichspannungswandler einen getakteten Schalter enthält, zu dessen Taktung eine Regelanordnung vorgesehen ist, der eine von der Netzwechselspannung abgeleitete Größe als Führungsgröße für den Sollwert des Eingangsstromes des Gleichspannungswandlers zugeführt ist.

   Ein derartiger Gleichspannungswandler ist aus der DE-OS 21 51 019 (insbes. Fig. 3, 4) bekannt. In der DE-OS 21 51 019 ist ein Verfahren und eine Anordnung zur Regelung des einem Wechselstromnetz entnommenen oder zugeführten Stromes beschrieben. Zur Stromregelung ist der Verbraucher über einen als Schalter wirkenden Thyristor mit der Versorgungsspannung verbunden. Zur Taktung des Thyristors ist eine Regelanordnung vorgesehen, der eine von der Netzwechselspannung abgeleitete Größe als Führungsgröße für den Sollwert des Eingangsstoms der Anordnung zugeführt ist. Mit diesem Verfahren kann lediglich der Strom in Abhängigkeit von der Eingangsspannung geregelt werden, jedoch nicht die Ausgangsspannung.

   Nachteilig ist es ferner, daß der dem Netz entnommene Strom zerhackt ist, d. h. er geht jeweils beim Sperren des Thyristors auf Null zurück. Lediglich der Strom durch die Last weist bei Verbrauchern mit stark induktivem Anteil wegen der Wirkung der Last-Induktivität eine relativ gute Sinusform auf. Da der Netzstrom zerhackt ist, wird das Netz stark mit Oberwellen belastet.

   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gleichspannungswandler der im Oberbegriff genannten Art so auszugestalten, daß bei gleichzeitiger Regelung der Ausgangsspannung die Belastung des speisenden Wechselspannungsnetzes durch Oberwellen ohne den Einsatz großer Filter aus Drosseln und Kondensatorbatterien verrringert wird.

   Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Längszweig des Gleichspannungswandlers zwischen dem Gleichrichter und dem Glättungskondensator eine Reihenschaltung aus einer Drossel und einer Entkopplungsdiode liegt und der getaktete Schalter in einem Querzweig des Gleichspannungswandlers parallel zur Reihenschaltung aus Gleichrichter und Drossel angeordnet ist und daß die Regelanordnung einen Regler aufweist, dem die geglättete Spannung des Glättungskondensators als Istwert und der Sollwert dieser Spannung zugeführt ist, daß ein Multiplikator vorgesehen ist, dem die Ausgangsspannung des Reglers sowie die gleichgerichtete Netzspannung zugeführt ist, dessen Ausgangssignal zusammen mit einem den Ausgangsstrom des Gleichrichters nachbildenden Istwertsignal einem Komparator mit Hysterese zugeleitet ist, der den Schalter steuert. Damit wird die Ausgangsspannung geregelt. Im speisenden Netz tritt ein Strom von annähernder Sinusgestalt auf, so daß das Auftreten höherer Harmonischer im Netzstrom weitgehend unterdrückt ist. Die Regelanordnung kann als elektronisches Bauteil kostengünstig und mit geringem Raumbedarf hergestellt werden. Der Regler, der Multiplikator und der Komparator können handelsübliche elektronische Bauelemente sein, die kostengünstig erhältlich sind.

   Als Ausgangssignal des Multiplikators wird ein Sollwertsignal für den Strom erhalten, das durch die Wirkung des Reglers je nach der Stromentnahme der am Ausgang des Gleichspannungswandlers liegenden Last eine größere oder kleinere Amplitude aufweist.

   Das Toleranzband um diesen Sollwert ist durch die Hystereseeigenscharten des nachgeschalteten Komparators vorbestimmt. Wenn der ebenfalls dem Komparator zugeführte Stromistwert das Toleranzband nach oben zu verlassen droht, wird der Schalter geöffnet, worauf der Ausgangsstrom des Gleichrichters absinkt.

   Bei Erreichen der Untergrenze des Toleranzbandes wird der Schalter wieder geschlossen, worauf der Ausgangsstrom des Gleichrichters wiederum ansteigt.