DE2825708A1 - Schaltungsanordnung zum verringern von oberwellen im netzwechselstrom bei gleichstromverbrauchern, die aus dem wechselstromnetz gespeist werden - Google Patents

Schaltungsanordnung zum verringern von oberwellen im netzwechselstrom bei gleichstromverbrauchern, die aus dem wechselstromnetz gespeist werden

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DE2825708A1 DE19782825708 DE2825708A DE2825708A1 DE 2825708 A1 DE2825708 A1 DE 2825708A1 DE 19782825708 DE19782825708 DE 19782825708 DE 2825708 A DE2825708 A DE 2825708A DE 2825708 A1 DE2825708 A1 DE 2825708A1
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Description

SIEMENS AKTIENGESEILSCHAPT Unser Zeichen
Berlin und München ^78 P 1 0 3 3
Schaltungsanordnung zum Verringern von Oberwellen in Netzwechselstrom bei Gleichstromverbrauchern, die aus dem Wechselstromnetz gespeist werden
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Verringern von Oberwellen im Netzwechselstrom bei Gleichstromverbrauchern, die aus dem Wechselstromnetz gespeist werden, wobei sich zwischen dem Netzanschluß und dem Verbraucher ein Gleichrichter und ein Ladökondensator befinden.
Gleichstromverbraucher, die über einen Gleichrichter und über einen Ladekondensator zur Glättung direkt am Wechselstromnetz betrieben werden, erzeugen wegen der geringen Stromflußdauer des Kondensätorladestromes - Netzstrom fließt nur im Spannungsmaximum der Netzspannung - einen stark verklirrten Netzstrom, der zu einer hohen Verzerrungsblindleistung und damit zu hohen Netzanschlußwerten führt. Moderne Schaltnetzteile als Gleichstromverbraucher werden in der Regel
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über eine Gleichrichtung und Ladekondensatorsiebung ohne v/eitere Maßnahme, allenfalls noch über ein Funkentstörfilter, aus dem Wechselstromnetz betrieben. Einige Anwender, z.B. die Deutsche Bundespost, lassen beim Einsatz solcher Geräte genaue Maximalwerte für die Oberwellenanteile zu, insb. der 3·» 5., 7. usw. Harmonischen. Das aber erfordert aufwendige Filter (große Drosseln und Kondensatoren), deren Volumen und Gewicht bereits in die Größen-Ordnung des Schaltnetzteiles selbst kommen. Dadurch ist dann aber die Wirtschaftlichkeit des ganzen Konzepts in Frage gestellt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Gleichspannungsverbraucher eine aus dem Wechselstromnetz gewonnene Gleichspannung anzubieten, ohne das Netz mit Yerzerrungsblindleistung zu belasten. Dabei soll der technische Aufwand gering gehalten werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß sich zum Erzwingen eines der Gleichrichterspannung im wesentlichen folgenden Gleichrichterstroms parallel zu der Reihenschaltung des Gleichrichters mit einer Drossel und parallel zu dem Ladekondensator ein mit wesentlich höherer Frequenz als die Netzfrequenz getasteter Schalter befindet, der den über die Drossel fließenden Gleichrichterstrom schaltet, wobei die Ausgangsspannung des Gleichrichters das Tastverhältnis des Schalters bestimmt.
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Dadurch, daß' während den Abschaltzeiten des Schalters der Gleichrichterstrom über die Drossel in den Ladekondensator fließt und daß während den Einschaltzeiten ein nicht vom Ladekondensator bestimmter Gleichrichterstrom über den Schalter fließt und daß die Gleichrichterspannung das Verhältnis zwischen Einschalt- und Abschaltzeit, d.h. das !Tastverhältnis bestimmt, folgt der Gleichrichterstrom im wesentlichen der Gleichrichterspannung, lediglich überlagert von Frequenzen ab der üastfrequenz. Ist diese relativ hoch, z.B. 20 kHz, dann entsteht im Netz keine nennenswerte Verzerrungsblindleistung mehr.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sieht vor, daß zwischen der Drossel und dem Ladekondensator ein Transistor als gesteuerter Querschalter und eine Längsdiode in dieser Reihenfolge liegen, daß der Steuereingang des Transistors mit dem Ausgang eines Pulsgenerators verbunden ist, an dessen Eingang eine der Ausgangsspannung des Gleichrichters proportionale Spannung gelegt ist, wobei diese Spannung die Dauer der Ausgangsimpulse des Pulsgenerators bestimmt.
Vorteilhaft dabei ist, wenn die Eingangsspannung des Pulsgenerators einem Spannungsteiler am Ausgang des Gleichrichters entnommen wird, wobei in Reihe zu dem Spannungsteiler eine Drossel liegt.
Die abgegriffene der Gleichrichterspannung analoge Spannung als Eingangspannung für den Pulsgenerator moduliert dessen rechteckpulsförmige Ausgangs-
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spannung über eine Pulsdauermodulation (PDM). Dadurch entsteht für den Transistor ein der Gleichrichterspannung analoges Tastverhältnis. Der Ladekondensatorstrom fließt während der Sperrzeit des Transistors; das ist die Entladephase der Drossel. Der Gleichrichterstrom setzt sich aus diesem und aus dem während der Flußzeit des Transistors - das ist die Ladephase der Drossel - fließenden Transistorstrom zusammen. Der Drosselstrom ergibt dann den gewünschten Gleichrichterstromverlauf, der im wesentlichen der Gleichrichterspannung folgt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, daß die Spannung am Ladekondensator die Eingangsspannung des Pulsgenerators dadurch "beeinflußt, daß sie einen der Spannungsteilerwiderstände steuert. Insbesondere ist vorgesehen, daß die Spannung am Ladekondensator über einen Operationsverstärker mit einer Referenzspannung verglichen wird und daß der Ausgangsstrom des Operationsverstärkers über eine Leuchtdiode einen Potowiderstand steuert, der als Teilwiderstand im Spannungsteiler liegt.
Damit kann das gesteuerte Tastverhältnis zum Zweck einer Spannungsregelung am Ladekondensator benutzt werden. D.h. die Ladekondensatorspannung liefert für die analoge Modulation der Pulsgeneratorausgangsspannung eine 3?ührungsgröße.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, daß der Laststrom die Eingangsspannung des Pulsgenerators dadurch mitbestimmt, daß der Gleichrichterausgangsstrom an einem ohmechen Widerstand
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eine Spannung erzeugt, die in einem Operationsverstärker mit der geteilten Gleichrichterausgangsspannung verglichen wird, -wobei dieser Operationsverstärker dem Pulsgenerator die Eingangsspannung liefert.
Damit ist auch der verbrauchte Gleichstrom in die Regelung einbezogen. Man erhält so eine geregelte Gleichspannung am Ladekondensator, die unabhängig ist von Uetzspannungs- und Laststromschwankungen. Ein am Ladekondensator angeschlossenes Schaltnetzteil als Beispiel für einen Gleichstromverbraucher braucht dann keinen Eingangsspannungshub mehr auszuregeln. Das Schaltungskonzept für dieses Schaltungsnetzteil kann deswegen erheblich einfacher ausfallen.
Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung soll die Erfindung näher erläutert werden.
An eine Netzwechselstromquelle 1 ist über ein Punkentstörfilter 2 ein Brückengleichrichter 3 geschaltet, der eine kommutierte Netzwechselspannung liefert, d.h. eine Gleichspannung mit überlagerter doppelter Netzwechselfrequenz. Parallel zum Gleichspannungsanschluß des Brückengleichrichters 3 liegt die Reihenschaltung einer Drossel 4 und zwei ohmscher Widerstände 5 und Parallel zum ohmschen Widerstand 6 liegt die Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes 7 mit einem Potowiderstand 8 als Bestandteil eines Optokopplers.
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Bine der "beiden Gleichstromklemmen des Brückenglei ehr i enters 3 ist über eine Drossel 9 mit dem Kollektor eines Transistors 10 verbunden. Die andere Gleichstromklemme liegt über einen ohmschen Widerstand 11 am Emitter des Transistors 10. Weiter führt eine Diode 12 vom Kollektor des Transistors 10 zum einen Anschluß eines Ladekondensators 13» dessen anderer Anschluß mit dem Emitter des Transistors 10 verbunden ist. Parallel zum Ladekondensator 13 liegen ein Verbraucher 14 und zwei Reihenschaltungen als Spannungsteiler, die eine aus einem onmschen Widerstand 15 und einer Z-Diode 16, die andere aus zwei ohmschen Widerständen 17 und 18. Beide Spannungsteilerpunkte sind jeweils mit einem von zwei Eingangen eines Operationsverstärkers 19 verbunden« Dessen Ausgang führt über eine lumineszenzdiode 20 zum Emitter des Transistors 10. Die Lumineszenzdiode 20 ist als zweiter Bestandteil des Optokopplers optisch mit dem Fotowiderstand 8 gekoppelt. Der Terbindungspunkt des ohmschen Widerstands 7 mit dem Potowiderstand 8 einerseits und der Emitter des Transistors 10 andererseits führen zu den Eingängen eines Operationsverstärkers 21. Dessen Ausgang liegt am Modulatoreingang eines pulsdauermodulierten PuIsgenerators 22. Die Basis des Transistors 10 ist mit dem Ausgang des Pulsgenerators 22 verbunden. Die vom Brückengleichrichter 2 gelieferte mit doppelter lietzfrequenz überlagerte Gleichspannung liefert bei leitendem Transistor 10 einen Strom, dessen Anstieg von der Größe der Drossel 9 bestimmt wird. Die Drossel 9 nimmt dabei Energie auf, die sie bei ab-
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nehmendem Strom, nachdem der Transistor 10 gesperrt ist, über die Diode 12 in den Ladekondensator 13 abgibt. Das geschieht periodisch mit der Frequenz von beispielsweise 20 kHz des vom Pulsgenerator gelieferten Rechteckpulses. Dabei bestimmt der momentane Wert der Gleichrichterspannung die Ein- " schaltdauer des !Transistors 10, so daß im wesentlichen der Transistorstrom den Gleichrichterstrom bestimmt. Für den Ladekondensator 13 ergibt sich dann ein kommutierter sinusförmiger Ladestrom mit Lücken im 20 kHz-Takt. Insgesamt entsteht ein Verlauf für den Gleichrichterstrom, der im wesentlichen der Gleichrichterspannung folgt und damit einem Sinusverlauf. In der Zeichnung ist dies schematisch für den (unkommutierten) Eingangsstrom i und für die (unkommutierte) Eingangs spannung u angedeutet.
Die Operationsverstärker 19 und 21 ermöglichen eine Regelung der Ladekondensatorspannung. Diese wird im Operationsverstärker 19 verglichen mit einer von der Z-Diode 16 gelieferten Referenzspannung. Eine Regelabweichung läßt über den Optokoppler 8,20 das Spannungsteilerverhältnis 7,8 verändern und liefert für den Operationsverstärker 21 das eine Eingangssignal. Dieses ist proportional der vom Brückengleichrichter 3 gelieferten Spannung über den Spannungsteiler 5,6, wobei die Drossel A eine Filterung der kommutierten Wechselspannung vornimmt. Dieses Eingangssignal bildet die Führungsgröße für eine Stromregelung. Im Operationsverstärker 21 wird mit der Führungsgröße als Sollwert das andere Eingangssignal, das aus der vom Laststrom am ohmschen Widerstand erzeugten Spannung besteht, verglichen.
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Das vom Operationsverstärker 21 an den Pulsgenerator 22 gelieferte Signal zur Pulsdauermodulation des Rechteekpulses und zur Bestimmung des Tastver-Mltnisses für den Transistor 10 ist dann ein der Gleichrichterspannung analoges Steuersignal, ausgeregelt hinsichtlich einer Abweichung der Ladekondensatorspannung und des Gleichrichterstromes vom Sinusverlauf. Störgrößen durch Netzspannungsänderungen oder laständerungen wirken sich damit weder auf die Ladekondensatorspannung und damit auf den angeschlossenen Verbraucher noch auf den Netzwechselstrom aus. Der fletzwechselstrom bleibt stets im wesentlichen sinusförmig und folgt der JJe tzweehs el spannung. Anstelle des Optokopplers 8,20 kann auch jeder andere durch eine elektrische Größe kontinuierlich änderbare lineare Widerstand wie beispielsweise ein Feldplattenwiderstand verwendet werden.
β Patentansprüche
1 Figur
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Claims (6)

  1. Patentansprüche
    C 1.)Schaltungsanordnung zum Verringern von Oberwellen im Netzwechselstroin bei Gleichstromverbrauchern, die aus dem Wechselstromnetz gespeist werden, wobei sich zwischen dem Netzanschluß und dem Terbraucher ein Gleichrichter und ein Ladekondensator befinden, dadurch gekennzeichnet , daß sich zum Erzwingen eines der Gleichrichterspannung im wesentlichen folgenden Gleichrichter-. Stroms parallel zu der Reihenschaltung des Gleichrichters (3) mit einer Drossel (9) und parallel zu dem ladekondensator (13) ein mit wesentlich höherer Frequenz als die Netzfrequenz getasteter Schalter (10) befindet, der den über die Drossel (9) fließenden Gleichrichterstrom schaltet, wobei die Ausgangsspannung des Gleichrichters das Tastverhältnis des Schalters (10) bestimmt.
  2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen der Drossel (9) und dem Ladekondensator (13) ein Transistor (10) als gesteuerter Querschalter und eine längsdiode (12) in dieser Reihenfolge liegen, daß der Steuereingang des Transistors (10) mit dem Ausgang eines Pulsgenerators (22) verbunden ist, an dessen Eingang eine der Ausgangsspannung des Gleichrichters (3) proportionale Spannung gelegt ist, wobei diese Spannung die Dauer der Ausgangsimpulse des PuIsgenerators (22) bestimmt.
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  3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Eingangsspannung des Pulsgenerators (22) einem Spannungsteiler (5,6,7,8) am Ausgang des Gleichrichters (3) entnommen wird, wobei in Reihe zu dem Spannungsteiler (5,6) eine Drossel (4) liegt.
  4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet ,
    daß die Spannung am Ladekondensator (13) die Eingangsspannung des Pulsgenerators (22) dadurch beeinflußt, daß sie einen (8) der Spannungsteilerwiderstände (5,6, 7,8) steuert.
  5. 5· Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Spannung am Ladekondensator (13) über einen Operationsverstärker (19) mit einer Referenzspannung verglichen wird und daß der Ausgangsstrom des Operationsverstärkers (19) über eine Leuchtdiode (20) einen Fotowiderstand (8) steuert, der als Teilwiderstand (8) im Spannungsteiler (5,6,7,8) liegt.
  6. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Laststrom die Eingangsspannung des Pulsgenerators (22) dadurch mitbestimmt, daß der Gleichrichterausgangsstrom an einem ohmschen Widerstand (11) eine Spannung erzeugt, die in einem Operationsverstärker (21) mit der geteilten Gleichrichterausgangsspannung verglichen wird, wobei dieser Operationsverstärker (21) dem Pulsgenerator(22) die Eingangsspannung liefert.
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