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Energieumwandlungsschaltung
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ENERGIEUMWANDLUNGSSCHALTUNG Die Erfindung betrifft einen, als zwei-
oder dreistelliges Stellorgan ausgestalteten, an dem Ausgang aus Gleichspannung
Gleich- oder Wechselspannung oder eine Spannung mit alternierender Richtung erzeugenden
Energieumwandler in einer an sich bekannten Schaltungsanordnung mit Transistoren
oder Thyristoren, welcher einen den Stellungzustand bestimmenden Steuereingang aufweist0
Die Gestaltung von Energieunwandler-Schaltungsanordnungen
für die
Erzeugung von Gleich- oder Wechselspannung oder einer Spannung mit alternierender
Richtung unter Anwendung von Transistoren und Thyristoren stellt in der Hinsicht
der beschleunigten Beseitigung der Störwirkungen, der Verbesserung der qualitativen
Charakteristiken der Steuerung und der Herabsetzung des oberharmonischen Inhalts
der umgeformten Spannung ein schwieriges Problem dar.
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Die wichtigsten Ausgangscharakteristiken der mit Transistoren oder
Zwangskommutatlon funktionierenden Thyristor-Energieumwandler sind die Spannung»
der oberharmonische Inhalt, der Strom und eventuell die Frequenz. Diese Energieumwandler
funktionieren als Stellorgane in gegebenen Stellungen; das bedeutet, daB an den
Ausgang (oder an den Ausgangstransformator) für eine gewisse Zeitspanne die umzuwandelnde
Gleichspannung angelegt wird, wonach für eine gewisse Zeit die umzuwandelnde Gleichspannung
mit entgegengesetzter Rffarität oder Spannung mit Nullwert angelegt wird. Im Laufe
dieser zyklischen Arbeitsweise kann die Grö£eneinstellung der Ausgangsspannung z.B.
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dadurch vorgenommen werden» daß das Steuerorgan das Verhältnis der
Teilzeiten innerzalb der Zyklusdauer verändert, Bei einem eher komplizierten Aufbau
wird diese Stellungsweise durch die Anwendung irgendwelches Modulationsprinzips
erweitert, wobei das Verhältnis der Einschaltungs- bzw.
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Pausenzeiten z.B. bei der Erzeugung einer Wechselspannung die Zahl
und Stelle der auf eine Halbperiode entfallenden Kommutationen bestimmt wird, oder
unter Aufrechterhaltung der Einschaltungszeit bei Gleichspannungsumwandlern die
Frequenz der Schaltung geändert wird.
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Von dem Standpunkt der Energetik aus betrachtet besteht der Nachteil
der in der Praxis zur Anwendung kommenden Funktions- und Steliweisen darin, daB
der Energie-
umwandler ein bedeutendes oberharmonisches Spektrum
erzeugt, oberdrein im Laufe der vorangehenden Stellen auch die Komponenten des Spektrums
und die Größen der Komponenten sich ändernd Durch die Erhöhung der Größe oder Ordnungszahl
der zwecks Herabsetzung der Oberharmonischen dem Ausgang angeschalteten Filter werden
einerseits die transienten Eigenschaften des Energieumwandlers beeinträchtigt, was
mit sich bringt, daß z oB bei einer Belastung oder bei der Abschaltung in der Ausgangsspannung
augenblicklich bedeutende Anderungen vor sich gehen, andderseits werden auch die
Aussteuerungszeiten verlängert.
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Die Verbesserung der qualitativen Charakteristiken der Regelung wird
auch dadurch weiter erschwert, daß das Kontrollsignal z.B. bei der Schaltung des
die Sinusspannung erzeugenden Energieumwandlers gleichgerichtet und darauffolgend
gesiebt werden mub, was von dem Standpunkt der Bildung des Befehlsignals aus betrachtet
einen weiteren Zeitausfall bedeutet.
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Der Erfindung wurde das Ziel gesetzt eine Schaltungsanordnung zu
entwickeln, unter Anwendung deren die qualitativen Charakteristiken der Regelung
wesentlich verbessert werden können, gleichzeitig das oberharmonische Spektrum und
damit die Größe des Ausgangsfilters bedeutqrsd vermindert wird.
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Der Grundgedanke der Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die
obenerwknte Wirkung dadurch erreicht werden kann, daß die Häufigkeit der Stellungszustände
d.h. die Frequenz des Energieumwandlers, im Laufe der Funktion der momentanen Ausgangscharakteristik
in der Abhängigkeit der Anderungsrichtung und Gröbe des Momentwertes frei ausgestaltet
lassen, bzw. der obere Wert der Frequenz im Interesse der Vermeidung einer Funktionsunfähigkeit
begrenzt
wird.
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Im Falle des in der Einleitung geschilderten Art des Energieumwandlers
wird das gesetzte Ziel dadurch erreicht, daX erfindungsgemäB ein, als zwei- oder
dreistelliges Stellorgan ausgestalteter, aus der Gleichspannung an dem Ausgang eine
Gleich- oder Wechselspannung oder eine Spannung mit alternierender Richtung erzeugender
Energieumwandler in einer an sich bekannten Schaltungsanordnung mit Transistoren
oder Thyristoren verwendet wird, der einen den Stellungszustand bestimmenden Stuereingang
aufweist und dadurch gekennzeichnet werden kann, daß ein das zeitlich periodische
oder nichtperiodische Signal erzeugende Grundsignalgeber dem einen Eingang einer
Differenzbildungseinheit angeschlossen ist, der Ausgang der ersten Differenzbildungseinheit
über einen ersten Verstärker dem ersten Eingang einer zweiten Differenzbildungseinheit
angeschlossen ist, der Ausgang des Energieumwandler über einen Stromfühler einen
Kondensator und dem anderen Eingang der ersten Differenzbildungseinheit angeschlossen
ist, desweiteren der Ausgang des Stromfühlers dem zweiten Eingang einer zweiten
Differenzbildungseinheit angeschlossen ist, der Ausgang der zweiten Differenzbildungseinheit
sich über einen weiteren Verstärker dem Eingang des mit einem Frequenzbegrenzer
verbundenen Steuersignal-Torkreises anschließt» wobei der Ausgang des Steuersignal-Torkreises
dem Steuereingang angeschlossen isto Die Erfindung wird anhand der beiliegenden
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine beispielsweise erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung, Figur 2 eine beispielsweise Variante der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung
für den Fall eines Energieumwandlers mit Stromgeneratorcharakter, Figur 3 ein Ausführungsbeispiel
für die Anwendung des die Frequenz der Ausgangszustände begrenzenden Elements, Figur
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung bei der Anwendung mehrerer
Energieumwandler.
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In Figur 1 wird der Zustand des Ausganges 2 des als zwei- oder dreistelliges
Stellorgan ausgestalteten Energieumwandlers 1» bzw. die Zeitdauer irgendeines Zustandes
durch die Grobe, Richtung, bzw. Dauer des an dem Steueringang 3 abgegebenen Steuersignale
bestimmt. Der Grundsignalgeber 4 des Regelstromkreises erzeugt ein zeitlich periodisches
oder nicht-periodisches Grundsignal, dessen Form und Grobe von dem Energieumwandler
1 durch Folgeregelung auf den Ausgang 2 kopiert werden0 Durch die erfindungsgemäSe
Schaltungsanordnung kann dies auf der Weise erreicht werden» dab sich der Grundsignalgeber
4 dem einen Eingang 6 der ersten Differenzbildungseinheit 5 anschlieLt. Das an dem
Ausgang 7 der ersten Differenzbildungseinheit 5 erscheinende erste Befehlssignal
kommt auf Wirkung des Grundsignals und des an dem anderen Eingang 13 der ersten
Differenzbildungseinheit 5 geschalteten Kontrollsignals des Ausgangs 2 des Energieumwandlers
1 zustande; der Ausgang 7 ist über den ersten Verstärker 8 dem ersten Ausgang 10
der zweiten Differenzbildungseinheit 9 angeschlossen. Um die Richtung und Größe
des Momentwertes der Spannung des Ausgangs in ein Kontrollsignal umwandeln zu können,
ist dem Ausgang 2über den Stromfühler 11 ein Kondensator 12 angeschLossen.
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Mit Hinsicht darauf, dab der Strom des Kondensators
12
mit der Anderungsgeschwindigkeit der Spannung proportional ist, erscheint an dem
Ausgang 14 ein damit proportionales Kontrollsignal, das zu dem zweiten Eingang 15
der zweiten Differenzbildungseinheit 9 gelangt. Der an dem Ausgang 16 der zweiten
Differenzbildungseinheit 9 erscheinende zweite Befehlsignal gelangt über den zweiten
Verstärker 17 zu dem Eingang 20 des Steuersignal-Torkreises l9. In der Abhängigkeit
der Größe und Richtung des Momentwertes des zweiten Befehlsignals erscheint an dem,
mit dem Steuereingang 3 verbundenen Ausgang 21 des Steuersignal-Torkreises 19 ein
weiteres» den Ausgangszustand des Energlsumwandlers bestimmendes Signal, welches
die Abweichung des Momentwertes von dem Grundsignal herabsetzt, wobei diese Wirkung
durch das auch von der Abweichungsgeschwindigkeit beeinflußte zweite Befehlsignal
weiter verbessert wird. Mit Hinsicht darauf, daß die Häufigkeit, Frequenz der Anderung
des Ausgangszustandes des Energieumwandler 1 auf Wirkung der erwähnten Intervention
dermaben erhöht werden könnte, daß bereits die Funktion gefährdet wäre, z.B. dadurch,
daß bei der Lösung mit Thyristor die entsprechende Schonungszeit der ausschaltenden
Thyristoren nicht sichergestellt werden könnte, wird der obere Grenzwert der Signaländerungsfrequenz
des Ausgangs 21 des Steuersignal-Torkreises 19 durch den mit dem Steuersignal-Torkreis
19 verbundenen Frequenzbegrenzen 18 limitiert.
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Ein weiterer Vorteil der Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung besteht
darin, daß trotzdem, daß die Ånderungsgeschwindigkeit der Spannung des Ausganges
2 in der Regelkette verwendet wird, ist in der Schaltungsanordnung kein zur Instabilität
neigendes Differentialglied enthalten, da diese Aufgabe von dem» sich über den Stromfühler
11 dem
Ausgang 2 anschließenden Kondensator 12 - der auch ein Glied
der den rückbleibenden oberharmonischen Inhalt vermindernden Filterette bilden kann-
übernommen wird.
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Ein weiterer Vorteil der Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
besteht darin, daß trotzdem, daß ein Aufbau aus analogen regeltechnischen Elementen
möglich ist, der Eingriff dermalen beschleunigt wird, dab die Spannung des Ausgangs
2 - wenn eine periodische Signalform von beliebigem Format, aber mit seiner, die
Grenzfrequenz des Frequenzbegrenzers 18 unterschreitenden Frequenz vorliegt - der
Signalform des Grundsignalgebers 4 folgt. Die Folgeeigenschaft wird awh im Falle
eines periodischen Grundsignals aufrechterhalten.
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In Figur 2 ist eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung für einen solchen Energieumwandler veranschaulicht, der infolge
des gewünschten Stromgeneratorcharakters an dem Ausgang 2 eine in Reihe geschaltete
Drosselspule 22 enthält. Im Sinne der Erfindung ist dem Pol 23 der in Reihe geschalteten
Drosselspule 22 der Spannungsfühler 23 angeschlossen, dessen Ausgang 24 sich dem
zweiten Eingang 15 der zweiten Differenzbildungseinheit 9 anschließt. 8ei dieser
Lösung erzeugt die in Reihe geschaltete Drosselspule 22 das mit der Anderungsgeschwindigkeit
proportionale Signal, so ist die Anwendung eines Differentialgliedes auch hier überflüssig.
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In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung dargestellt.
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Selbstverständlich kann das die Frequenz des Ausgangszustands des
Energieumwandlers 1 begrenzende Element in die Regelkette auch in Reihe geschaltet
eingebaut werden. Zu diesem Zweck ist zwischen dem Eingang 20 des Steuereignal-
Torkreises
19 und dem Verstärker 17 der Frequenzbegrenzer 16 eingeschaltet.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
ist in Figur 4 dargestellt.
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Hier werden zwecks Erhöhung der Leistung mehrere Energieumwandler
angewendet.
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In Figur 4 bilden die in Reihe geschalteten Sekundärwicklungen 27
und 27'- der zur Summierung dienenden 25' den x Transformatoren 25 und 268 den Ausgang
2 von mindestens zwei Energieumwandlern 1 und 1'; dem genannten Ausgang schließen
sich erfindungsgemäß der andere Eingang 13 der ersten Differenzbildungeinheit 5
und der Kondensator 12 über den Stromfühler 11 an. Die Energieumwandler 1 und 1'-
weisen Steuereingänge 3 und 3t auf.
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Den Eingängen 20 und 20' der Steuersignal-Torkreise 19 und 19' schließen
sich die Ausgänge 28 und 28'- der Teilereinheit 26 an, während der Eingang der Teilereinheit
26 dem Ausgang 20 des zweiten Verstärkers 17 angeschlossen ist. Die Ausgangssignale
der Steuersignal-Torkreise 19 und 19' werden auf der Weise an die Steuereingänge
3, 31. der Energieumwandler 1 und 1' verteilt, da die Zustandsänderungen der Energieumwandler
einander folgen.
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Wird der Erfindungsgegenstand mit den bekannten Energieumwandlungsschaltungen
verglichen, können mehrere vorteilhafte Eigenschaften beobachtet werden» und zwar
- an dem Ausgang des Energieumwandlers wird das periodische oder nicht-periodische
Grundsignal mit höchster ßenauigkeit kopiert, gleichzeitig ist der oberharmonische
Inhalt des Ausgangsignals gering; - aus dem niedrigen Niveau des oberharmonischen
Inhalts geht es eindeutig hervor, daß auch der Ausgangsfilter-
kreis
kleiner dimensioniert werden kanne - der verminderte Wert des Ausgangsfilterkreises,
sowie die Erhöhung der Stellgeschwindigkeit des Regelkreises resultieren in der
wesentlichen Verbesserung der dynamischen Eigenschaften des Energieumwandlers.
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- das mit der Anderungsgeschwinigkeit des Ausgangssignals proportionale
i<ontrollsignal wird unter Zuhilfenahme eines - zu dem Au6gangsfilter ohnedies
erforderlichen -Elements (Kondensator oder Induktivität) erzeugt wobei sich infolge
der doppelten Ausnützung des erwähnten Elements die Anwendung des zur Instabilität
neigenden Differenzierglieds erübrigt.