-
Vier-Quadrant-Gleichstromstellerschaltung
-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vier-Quadrant-Gleichstromstellerschaltung
mit steuerbaren bzw. zünd- und löschbaren Stromrichterventilen als Hauptventile
in den Hauptzweigen und nicht steuerbaren Stromrichterventilen als Freilaufventile
in den Hilfszweigen und kann bevorzugt auf dem Gebiet geregelter Gleichstromantriebe
in getakteter Stromrichtertechnik Anwendung finden.
-
Eine derartige Schaltung ist aus der DIN-Vornorm 41 761, Beiblatt,
Mai 1975, Seite 12, unter der Benennung "Umkehr-Gleichstromsteller-Schaltung", Kennzeichen
(2 M 1 O RS) A (2 M Q RS) oder kurz B 2 Q R bekannt.
-
Diese bekannte Schaltung hat den Nachteil, daß Fehlimpulse (Störimpulse),
d.h. Impulse, die abweichend vom vorgesehenen Steuerimpuls auftreten, zu Stromrichtfehlern
führen können.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese bekannte Schaltung
für Verbraucher mit Gegenspannuna derart zu verbessern, daß unabhängig von der Gegenspannung
eines Gleichstromantriebes über Variation der Einschaltdauer der Hauptventile bei
fester Frequenz des Gleichstromantriebes ein Strom in eine Gleichstrommaschine eingeprägt
werden kann.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein erstes
Hauptventil mit seiner Anodenseite am positiven Gleichstromanschluß einer Gleichspannungsquelle
und mit seiner Kathodenseite über eine erste Drosselwicklung mit einem ersten Anschluß
eines Gleichstromantriebes. verbunden ist, daß ein zweites Hauptventil mit seiner
Kathodenseite am negativen Gleichstromanschluß der Gleichspannungsquelle und mit
seiner Anodenseite über eine zweite Drosselwicklung mit einem zweiten Anschluß des
Gleichstromantriebes verbunden ist, daß ein drittes Hauptventil mit seiner Anodenseite
am positiven Gleichstromanschluß der Gleichspannungsquelle und mit seiner Kathodenseite
über eine dritte Drosselwicklung mit dem zweiten Anschluß des Gleichstromantriebes
verbunden ist, daß ein viertes Hauptventil mit seiner Kathodenseite am negativen
Gleichstromanschluß der Gleichspannungsquile und mit seiner Anodenseite über eine
vierte Drosselwicklung mit dem ersten Anschluß des Gleichstromantriebes verbunden
ist, und daß im Zuge. der Verbindungen zwischen dem gemeinsamen Anschlußpunkt eines
jeden Hauptventils mit der ihm zugeordneten Drosselwicklung und demjenigen Gleichstromanschluß
der Gleichspannungsquelle, an den das entsprechende Hauptventil nicht direkt angeschlossen
ist, Freilaufventile angeordnet sind.
-
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß durch die jeweils in Reihe zu den Hauptventilen liegenden Drosseln unabhängig
von der Eigeninduktivität des
Gleichstromantriebes ein maximaler
Stromanstieg vorgegeben wird und daß unerwünschte Querströme, die durch Fehl-Steuerimpulse
an Hauptventilen hervorgerufen werdenJunwirksam bleiben. Unter Querströmen werden
in diesem Zusammenhang Ströme verstanden, die von einem Gleichstromanschluß der
Gleichspannungsquelle über zwei durchgesteuerte Hauptventile, nicht jedoch über
den Gleichstromantrieb selbst, zum anderen Gleichstromanschluß fließen.
-
Ein solcher mittels eines Fehl-Steuerimpulses ausgelöster Ouerstrom
hat die Größe eines Kurzschlußstromes der Gleichspannungs-oder Hauptventile bzw.
anderer Schaltungs-Bauelementes quelle und kann zur Zerstörung führen. Bei der erfindungsgemäßen
Gleichstromstellerschaltung kann sich ein derartiger Kurzschlußstrom nicht ausbilden,
wobei diese durch die Drosselwicklungen begründete SchutzwirkungSvorteiIhaft nicht
vom Betriebsstrom beeinflußt wird.
-
Die Drosseln werden nur unipolar betrieben, daher treten vorteilhafterweise
keine Ummagnetisierungsverluste auf.
-
Ein weiterer Vorschlag der Erfindung geht dahin, daß erste und zweite
Drosselwicklung sowie dritte und vierte Drosselwicklung jeweils auf einem gemeinsamen
Kern angeordnet sind.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind im Zuge der Verbindungen
zwischen einem der Gleichstromanschlüsse der Gleichspannungsquelle und den beiden
daran direkt angeschlossenen Hauptventilen Widerstände angeordnet, wobei die an
den Widerständen abfallende Spannung einem Differenzverstärker zugeführt ist, der
ausgangsseitig den durch den Gleichstromantrieb fließenden Strom betrags- und vorzeichenrichtig
in eine Spannung als Istwert für eine Regelung abbildet.
-
Vorteilhaft wird hiermit eine Möglichkeit zur Ermittlung des Strom-Istwertes
für die Ansteuerung der Stromrichterventile mittels einer Steuer- bzw. Regeleinrichtung
angegeben.
-
Als steuerbare bzw. zünd- und löschbare Stromrichterventile werden
im folgenden vorzugsweise Transistoren eingesetzt, wobei der Anodenseite des Ventils
der Kollektor eines NPN-Transistors und der Kathodenseite des Ventils der Emitter
dieses Transistors entspricht. Als nicht steuerbare Stromrichterventile finden vorzugsweise
nachfolgend / Dioden Anwendung.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden anhand der
Zeichnungen erläutert.
-
Es zeigen: Fig. 1 eine Schaltunasanordnung der Vier-Quadrant-Gleichstromstellerschaltung,
Fig. 2 die Zeitabhängigkeiten des Stromes IM(t) der Spannungen U1(t) und U2 (t)
sowie der Signale SpBM, ST1,2 und ST3,4 für einen ersten Betriebsfall IMM > O,
IM(t) > O, Fig. 3a, und b den Verlauf des Stromes IM für den Betriebsfall gem.
-
Fig. 2 während einer Taktperiode T, Fig. 4 die Zeitabhängigkeiten
des Stromes IM(t), der Spannungen Ul(t) und U2(t) sowie der Signale SpBM, ST1,2
und ST3,4 für einen zweiten Betriebsfall IMM#0,-IM1 # IM(t) # + IM2.
-
In Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Vier-Quadrant-Gleichstromstellerschaltung
dargestellt. Der Schaltungsanordnung liegt über einen positiven und einen negativen
Gleichstromanschluß 1, 2 eine Gleichspannung Uv einer Gleichspannungsquelle an,
wobei der Anschluß 1 mit dem positiven Pol der speisenden Gleichspannungsquelle,
der Anschluß 2 mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle beschaltet sind.
Am Anschluß 1 liegen als Hauptventile
steuerbare bzw. zünd- und
löschbar Stromrichterventile mit ihren Anodenseiten, vorzugsweise Transistoren T1
und T3 mit ihren Kollektoren, sowie als Freilaufventile nicht steuerbare Straurichterventile
mit ihren Kathodenseiten, vorzugsweise Dioden D1 und D3 mit ihren Kathoden.
-
Der Transistor T1 ist über seinen Emitter mit der Rathode eines weiteren
Freilaufventils, der Diode D4 serie mit einer Drosselwicklung L1 mit Eisenkern verbunden,
während Diode D1 einer weiteren Drosselwicklung 112 mit Eisenkern sowie dem Kollektor
eines Transistors T4 zugeführt ist. Die beiden Drosselwicklungen L1 und L2 liegen
an einem ersten Anschluß eines Gleichstranantriebes 3.
-
Dieser Gleichstra mntrieb 3 ist ferner über seinen zeiten Anschluß
mit Drosselwicklungen L1' und L2, beschaltet. Die Drosselwicklung L1' liegt an der
Anode der Diode D3 sowie am Kollektor eines Transistors T2 und die Drosselwicklung
L2' am Emitter des Transistors T3 sowie an der Kathode einer Diode D2.
-
Die an den Drosselwicklungen L1, L1' abfallende Spannung ist mit U1,
die an den Drosselwicklungen L2, L2' entstehende Spannung ist mit U2 und der durch
den Gleichstromantrieb fließende Strom ist mit IM bezeichnet.
-
Die Drosselwicklungen L1 und L1' sowie L2 und L2' können zweckmäßigerweise
auch auf einem gemeinsamen Eisenkern angeordnet sein.
-
Der negative Gleichstromanschluß 2, der den Masseanschluß der Schaltungsanordnung
bildet, ist über einen Widerstand R1 mit dem Emitter des Transistors T4, mit der
Anode der Diode D4 und mit einem weiteren Widerstand R3 verbunden. Desweiteren liegt
er über einen Widerstand R2 am Emitter des Transistors T2, an der Anode der Diode
D2 sowie an einem Widerstand R4. Die Basis-Anschlüsse der Transistoren T1, T2, T3
und T4 werden durch eine hier nicht dargestellte Steuer- bzw. Regeleinrichtung angesteuert.
-
Der Widerstand R3 ist mit einem gegen Masse geschalteten Widerstand
R5 und mit dem positiven Eingang eines Differenzverstärkers 4 verbunden, während
der Widerstand R4 am negativen Eingang dieses Differenzverstärkers 4 liegt sowie
über einen Widerstand R dem Ausgang des Verstärkers 4 zuge-6 führt ist. Am Ausgang
des Verstärkers 4 fällt eine Spannung UD gegen Masse ab.
-
Im folgenden wird die Funktionsweise der erfindungsgäßen Schaltungsanordnung
dargestellt.
-
Die SchaLtungsanordnung dient bei bestimmter Ansteuerung der Transistoren
T1 bis T4 zur Erzeugung einer Rechteckspannung U1 bzw. U2 an der Reihenschaltung
von Drosselwicklung L1, Gleichstromantrieb 3 und Drosselwicklung 1111 bzw. an der
Reihenschaltung von Drosselwicklung L2, Gleichstromantrieb 3 und Drosseiwicklung
L2', wobei der Mittelwert UM dieser Spannung U1 bzw.
-
U2 im Bereich -# # Uv # UM #' # # Uv kontinuierlich verstellt werden
kann.
-
Die Werte von t und 2' stellen dabei die maximalen Tastverhältnisse
dar.
-
mittels der aus den Widerständen R3, R4, R5, R6, dem Differenzverstärker
4 und den beiden als Shunts fungierenden Widerstände R1 und R2 bestehenden Anordnung
wird der durch den Gleichstromantrieb 3 fließende Gleichstrom IM betrags- und vorzeichenrichtig
in eine Spannung UD abgebildet, die als Istwert für eine Regelung verwendet werden
kann.
-
Die Schaltungsanordnung ist symmetrisch, es kommen jeweils gleichzeitig
sich diagonal gegenüberliegende Halbleiterbauteile zum Eingriff, wobei sich stets
ein Transistorenpaar und ein Diodenpaar ablösen. Für die in Fig. 1 eingezeichnete
positive Stromrichtung von IM können die Transistoren T1 und T2 sowie die Dioden
D3 und D4 zum Einsatz, bei einer hierzu entgegengesetzten Stranrichtung von IM kommen
die Transistoren T3 und T4 sowie die Dioden D1 und D2 zum Eingriff.
-
Die Ansteuerung der Transistoren erfolgt mit fester Taktfrequenz,
wobei die Verstellung durch Variation des Verhältnisses von Einschaltdauer der Transistoren
zur Periodendauer (nachfolgend mit T bezeichnet) durchgeführt wird.
-
Im folgenden sei die in Fig. 1 eingezeichnete Stromrichtung von IM
als positiv definiert, und ein erster Betriebsfall i> O, IM(t) >O O betrachtet,
wobei mit IMM M der Mittelwert des Gleichstromes IM(t) bezeichnet ist:
In Fig. 2 sind die Zeitabhängigkeiten des Stromes SI(t), der Spannungen Ul(t) und
U2(t) sowie der Signale SpBM, T1,2 und ST3 4 für diesen ersten Betriebsfall dargestellt.
-
Das Signal SpBM stellt dabei das digitale Signal eines Pulsbreiten:odalators
dar, wobei der Signalzustand H die Transistoren T1 und T2 freigibt und die Transistoren
T3 und T4 sperrt. Der Signalzustand L gibt die Transistoren T3 und T4 frei und sperrt
T1 und T2. Die Transistoren T1 bis T4 können daneben durch andere hier nicht dargestellte
logische Verknüpfungseinrichtungen verriegelt werden.
-
Das Signal ST1, 2 stellt das Ansteuersignal für die Transistoren T1
und T2 dar, wobei der Signalzustand H die beiden Tsansistoren T1 und T2 durchsteuert
und der Signalzustand L die Transistoren T1 und T2 gesperrt. Das Signal ST3,4 stellt
hierzu in analoger Weise das Ansteuersignal für die Transistoren T3 und T4 dar,
mittels des Signalzustandes H werden T3 und T4 durchgesteuert, während durch den
Signalzustand L die Transistoren T3 und T4 gesperrt werden.
-
In den Zeiträumen 0 < # t1, t2C tl ... usw. weist das Signal SBM
des Pulsbreitenooduiators den Zustand H auf, folglich werden die Tansistoren T1
und T2 mittels des Ansteuersignals ST1 2 das ebenfalls den Wert H hat, durchgesteuert.
Die Spannung Ul(t) erreicht den Wert +Uv, während U2(t) den Wert 0 und das Ansteuersignal
ST3,4 den Wert L aufweisen, die Transistoren T3 und T4 folglich gesperrt bleiben.
-
Der Strom IM(t) steigt in Abhängigkeit von der anliegenden versorgenden
Gleichspannung Uv' der an den Drosseln L1, L1' entstehenden Spannung und der Gegenspannung
des Gleichstromantriebes 3 bis auf einen positiven Sdheitelwert i zum Zeitpunkt
tl, t1' ... an.
-
Der sich für diesen Betriebsfall IMM>0, IM(t)>0 während den
Zeiträumen 0<t#t1, t2<t#t1'... ergebende Verlauf des Stromes IM ist inFig.
3a dargestellt. IM fließt über Gleichstromanschluß 1 - Transistor T1 -Drosselwicklung
L1 - Gleichstromantrieb 3 - Drosselwicklung L1' Transistor T2 - Widerstand R2 -
Gleichstromanschluß 2.
-
Zu den Zeitpunkten t = tl, tl' ... springt das Signal SPBM vom Zustand
H auf den Zustand L, folglich wechselt auch das Signal T1, 2 seinen Zustand von
H auf L und die Transistoren T1 und T2 werden gesperrt Die Transistoren T3 und T4
bleiben aufgrund hier nicht dargestellter logischer Verknüpfungseinrichtungen gesperrt,
obwohl sie vom Pulsbreitenmodulator freigegeben werden. Die Spannung Ul(t) springt
zu den Zeitpunkten tl, tl' ... vam Wert +Uv auf den Wert -Uv, während die Spannung
U2(t) den Wert 0 beibehält.
-
In den Zeiträumen t1<t#t2, t1'<t#t2'... usw. sinkt der Strom
IM(t) in Abhängigkeit von Uv, der an den Drosseln L1, L1' entstehenden Spannungen
und der Gegenspannung des Antriebes 3 bis zum Taktende t2, t2' ... und es ergibt
sich ein Stromverlauf Gleichstromanschluß 2 - Widerstand R1 -Diode D4 - Drosselwicklung
L1 - Gleichstromantrieb 3 - Drosselwicklung Ll' -Diode D3 - Gleichstromanschluß
1, wie in Fig. 3b dargestellt.
-
Solange IM(t) über D3 und D4 fließt, bleibt das Signal ST3,4 auf den
Zustand L, die Transistoren T3 und T4 folglich gesperrt.
-
Die Zeiträume 0<t#t2, t2<t#t2' ... werden als Taktperiode T
bezeichnet.
-
Der sich in dieser Taktperiode einstellende Mittelwert i des Stromes
IM(t) ist ebenfalls in Fig. 2 eingezeichnet.
-
Im folgenden sei ein zweiter Betriebsfall IMM# O, -IM1 IM(t) Z + 92
betrachtet. In den Zeiträumen 0<t#t3, t6 t6<t#t3' ... steigt der Strom IM
von seinem negativen Scheitelwert - {1 bis zum Wert O an, die Spannung U2 (t) weist
den Wert +Uv, das SPBM den Wert H, und das Signal ST3,4 den Wert L auf.
-
In den Zeiträumen t3< tt t4, t3'<t#t4' ... steigt der Stram
auf seinen positiven Scheitelwert +TM2 an, den er zum Zeitpunkt t = t4 erreicht,
das Signal SBM weist weiterhin den Wert H auf und das Ansteuersignal T1,2 mit dem
Signalzustand H steuert die Transistoren T1 und T2 durch.
-
In den Zeiträumen t4<#t5, t4'<t#t5' ... befindet sich keiner
der Transistoren im durchgeschalteten Zustand, die Spannung U1 (t) weist den Wert
- U auf und der Strom IM(t) sinkt in dieser Freilaufperiode vom Wert +TM2 auf den
Wert O.
-
Der Strom erreicht in den folgenden Zeiträumen t5d < t #t6 t6 bzw.
t51 c t #t6 zu den Zeitpunkten t = t6 bzw. t6' ... seinen negativen Scheitelwert
-IMIl das Ansteuersignal ST3,4 bewirkt aufgrund seines Signalzustandes H ein Durchschalten
der Transistoren T3 und T4, während die Spannung U2 (t) den Wert -U aufweist.
-
v Obwohl das Signal SpBM des Pulsbreitenmodulators ein Durchschalten
der Transistoren T1 und T2 in den Zeiträumen 0< C t + t4' ... sowie der Transistoren
T3 und T4 in den Zeiträumen t4<#t6, t4'<t#t6'... ermöglicht, weisen in den
Zeiträumen 0<t#t3, t6<t#t3'... das Ansteursignal für die Transistoren T1 und
T2 sowie in den Zeiträumen t4 L t#t5, t4'<t#t5' ...
-
das Ansteuersignal für die Transistoren T3 und T4 den Signalwert L
auf und die entsprechenden Transistoren werden gesperrt.
-
Der sich in diesem zweiten Betriebsfall ergebende Gleichstrom-Mittelwert
des Stromes IM(t) ist ebenfalls in Fig. 4 eingezeichnet.
-
8 Zusammenfassend kann bezüglich der hier nicht dargestellten logischen
Verknüpfungseinrichtung folgende Wertetabelle angegeben werden, die für beide hier
dargestellten Betriebs fälle Gültigkeit besitzt:
| SPBM IM(t) ST1,2 ST3,4 |
| 1. Fall H H + H # L |
| 2. Fall H - L L |
| 3. Fall L + L L |
| 4. Fall L - 1, H |
Bei der Wertetabelle ist das +Zeichen für den Strom IM(t) dann eingesetzt, wenn
der Strom die gemäß Fig. 1 als positiv definierte Richtung aufweist.
-
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vier-Quadrant-Gleichstromstellerfür
schaltung wird hier beispielshaft / einen Quadranten der Strom-Spannungsebene des
Gleichstromsystems mit der Stroms bzw. Spannungsrichtung von IM bzw.
-
Uv gemaß Fig. 1 beschrieben. Die Schaltung ermöglicht jedoch wie jeder
Zwei-Energierichtungs-Stromrichter sowohl eine Umkehr der speisenden Gleichspannung
Uv' als auch - unabhängig davon - eine Umkehr der Richtung des durch den Antrieb
fließenden Stromes IM(t) bzw. dessen Mittelwertes IMM.
-
Die prinziepielle Funktionsweise ist jedoch der hier beschriebenen
gleich.
-
L e e r s e i t e