DE3032289C2 - Schaltungsanordnung zum Regeln der Ausgangsspannung einer Gleichrichterbrücke - Google Patents

Schaltungsanordnung zum Regeln der Ausgangsspannung einer Gleichrichterbrücke

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Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Regeln der Ausgangsspannung einer aus mindestens zwei gesteuerten Halbleitergleichrichtern bestehenden Gleichrichterbrücke mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
Bei einer bekannten Schaltungsanordnung (DE-AS 63 054) werden in einem Rechteckimpulsformer aus der Netzwechselspannung Rechteckimpulse mit praktisch Halbwellendauer erzeugt, die anschließend in Sägezahnimpulse verwandelt werden, deren Dauer in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung der Gleichrichterbrücke verändert wird und damit den Phasenwinkel der an die gesteuerten Gleichrichter zu liefernden Zündimpulse bestimmt. Im übrigen ist es bei derartigen Schaltungsanordnungen auch bekannt (CH-PS 62 531), die Ausgangsspannung einer Gleichrichterbrücke mit der Netzwechselspannung in einer Vergleichsschaltung zu vergleichen und hieraus ein Signal zur Ansteuerung der Gleichrichter zu bilden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schaltungsanordnung der eingangs geschilderten Art so auszubilden, daß in einfacher Weiie die Gleichrichterspannung bei Netzwechselspannungsschwankungen auf ihrem eingestellten Sollwert gehalten wird.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Erfindungsgemäß wird die gleichgerichtete Netzwechselspannung mit der einstellbaren Bezugsgleichspannung in der Vergleichsschaltung miteinander verglichen. Damit liefert der Ausgang der Vergleichsschaltung einen Rechteckimpulszug, bei dem die Dauer der einzelnen Rechteckimpulse unabhängig von Netzwechselspannungsschwankungen konstant ist. Entsprechend ergibt sich auch eine konstante Impulsbreite der Sägezahnimpulse. Schwankt die von der Gleichrichterbrücke abgegebene Gleichspannung infolge von Netzwechselspannungsschwankungen, so ergibt sich aus einem Vergleich mit der Sägezahnspannung ein entsprechend geänderter Phasenwinkel für das den Gleichrichtern zuzuführende Steuersignal, um die Gleichspannung konstant zu halten. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung regelt auch eine stark schwankende Netzwechselspannung wirksam und betriebssicher aus.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 ein Schaltschema der Schaltungsanordnung und
F i g. 2 Darstellungen der mit der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 1 erzeugten Wellenformen.
Die Netzleitungen L\ und L2 führen eine einphasige Netzwechselspannung, die sinusförmig mit 60 Hz schwingt und eine Normalamplitude von beispielsweise 120 V besitzt. Die Größe der Netzwechselspannung kann in Abhängigkeit von der zu betreibenden Last jeden entsprechenden Wert haben. Eine bekannte Gleichrichterbrücke 10 besitzt zwei gesteuerte (Halbleiter) Gleichrichter 11 und 12 sowie zwei Dioden 14 und 15 in Brückenschaltung. Angenommen, die Gleichrichter 11 und 12 würden mindestens für einen Teil einer jeden Halbperiode der Netzspannung durchsteuern, wenn die Netzleitung L\ gegenüber der Netzleitung L2 positiv ist, dann fließt Strom in Richtung von der Leitung L\ über den Gleichrichter 11, eine Filterdrossel 18, einen Filierkondensator 19 und die dazu parallel geschaltete Last sowie über die Diode 15 zur Leitung L2. Während der Halbperioden mit entgegengesetzter Polarität, d. h. wenn die Netzleitung L2 gegenüber der Netzleitung Li positiv ist, fließt Strom von der Leitung L2 über den Gleichrichter 12, die Drossel 18, den Kondensator 19, die parallel geschaltete Last und die Diode 14 zur Leitung L\. Daher liegt an der Gleichspannungsschiene eine Gleichspannung mit positiver Polarität gegenüber der Leitung 21 an, die an Masse oder an ein Potential geführt ist, das beim erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel 0 V führt. Natürlich hängt die Amplitude der Gleichspannung vom Stromflußwinkel der gesteuerten Gleichrichter während einer jeden Halbperiode ab, d. h. von der Zeitdauer des Teiles einer jeden Halbperiode, in welchem die Gleichrichter durchsteuern; dieser Teil der Halbperiode wird wieder durch die Taktgabe der Steuersignale gesteuert, die über eine Leitung 22 von einer Steuerschaltung 23 für die gesteuerten Gleichrichter anliegen.
Ein Wechselrichter 26 erzeugt aus der Gleichspannung eine Wechselspannung, deren Größe direkt der Amplitude der Gleichspannung proportional ist. Die Frequenz der Ausgangsspannung des Wechselrichters ergibt sich durch die Impulswiederholfrequenz der Takt- oder Schaltimpulse, die über eine Leitung 27 von einem spannungsgeregelten Oszillator 29 her anliegen, der seinerseits in Abhängigkeit von der Gleichspannung arbeitet, die über eine Leitung 31 zugeführt wird. Die
Oszillatorfrequenz wird durch die Gleichspannung bestimmt und verändert sich direkt in Abhängigkeit von dieser, wodurch im wesentlichen ein konstantes Verhältnis von Amplitude zu Frequenz der durch den Wechselrichter 26 erzeugten Wechselspannung aufrechterhalten wird. Die Ausgangsspannung des Wechselrichters wird für den Antrieb eines Asynchronmotors 32 verwendet, dessen Drehzahl durch die Wechselrichterfrequenz bestimmt wird und dieser direkt proportional ist. Der Motor dreht eine Welle 33, die ihrerseits eine mechanische Last 34 betätigt Wird ein festes Verhältnis der Amplitude der Wechselrichterausgangsspannung zu deren Frequenz aufrechterhalten, so weist der Motor 32 ein konstantes Abtriebsdrehmoment unabhängig von seiner Drehzahl auf. Die Netzwechselspannung wird in einem Transformator 36 herabtransformiert, um eine Wiedergabe der Netzspannung mit kleinerer Amplitude zu gewinnen, die an einem Bandfilter 37 anliegt, das auf die Grundkommutierungsfrequenz der Netzspannung (im Ausführungsbeispiel 60 Hz) abgestimmt ist Das Bandfilter bewirkt keine Phasenverschiebung der Grundfrequenz, doch glättet es sowohl hohe als auch niedere Frequenzen. Somit ist die Ausgangsspannung des Filters 37 eine Nachbildung mit verkleinerter Amplitude der Grundfrequenz der Netzspannung, die an den Netzleitungen L\ und Li anliegt, und ist mit dieser genau phasengleich. Ein Tiefpaßfilter zur Dämpfung von hochfrequentem Rauschen wäre unannehmbar, da es eine Phasenverschiebung der Grundfrequenz der Netzleitungsspannung bewirken würde, wodurch der Betrieb der Einrichtung nachteilig beeinflußt we; den würde. Die am Ausgang des Filters 37 anstehende Wechselspannung mit einer Frequenz von 60 Hz wird durch die Wellenform A der F i g. 2 dargestellt, deren Momentanamplitude sich sinusförmig verändert.
Ein Verstärker 38 kehrt die Phase der Sinusspannung der Wellenform A ohne weitere Verstärkung um, und die Dioden 39 und 41 bilden einen Vollwellengleichrichter zur Gleichrichtung der Spannungen am Ausgang des Filters 37 und des Verstärkers 38, um am Knotenpunkt der beiden Dioden die voll gleichgerichtete Wellenform B zu erzeugen, die am nichtinvertierenden oder positiven Eingang eines IC-Verstärkers anliegt, der als Vergleichsschaltung 42 arbeitet.
Über eine Leitung 43 liegt am negativen oder Inversionseingang des Verstärkers eine Bezugsgleichspannung an, deren Amplitude gegenüber der niedrigsten Momentanamplitude der Wellenform B etwas positiv ist, was zu Beginn und am Ende einer jeden Halbperiode der Fall ist, wenn die Netzwechselspannung die Nullachse schneidet. Bei diesem Verhältnis der Eingangsspannungen zur Vergleichsspannung erreicht die Ausgangsspannung der Vergleichsschaltung 42 einen verhältnismäßig hohen Pegel, wenn die Spannung am positiven Eingang größer ist als die am negativen Eingang anliegende Spannung (oder wenn sie gegenüber dieser positiv ist), und einen verhältnismäßig niedrigen Pegel, wenn die positive Eingangsspannung kleiner ist als die negative (oder gegenüber dieser negativ ist). Daher schaltet die Ausgangsspannung der Vergleichsschaltung (Wellenform C) plötzlich von einem niedrigen auf einen hohen Amplitudenpegel sofort nach dem Nulldurchgang der Netzwechselspannung um und beginnt eine neue Halbperiode, worauf sie ebenso plötzlich auf ihren niedrigen Pegel zurückschaltet, kurz bevor die Netzwechselspannung eine Halbperiode vollendet. Daher erstrecken sich die Rechteckimpulse in der Wellenform C im wesentlichen über die gesamte Halbperiode der Netzwechselspannung, wobei ihre Impulsbreite dieser gleich ist Die Anstiegsflanke der einzelnen Rechteckimpulse folgt sofort dem Anfang einer Halbperiode, und ihre Abstiegsflanke liegt unmittelbar vor dem Ende dieser Halbperiode.
Da die am positiven Eingang der Vergleichsschaltung 42 anliegende Spannung von der Netzspannung abgeleitet ist, ändert sich ihre Amplitude zusammen mit der Änderung der Netzspannung. Ohne die erfindungsgemäße Einrichtung bewirken die Netzspannungsschwankungen, daß die Vergleichsschaltung die Ausgangsspannungspegel zu falschen Zeitpunkten umschaltet, woraus sich verschiedene Impulsbreiten für die Rechteckimpulse der Wellenform C ergeben. Man erkennt, daß eine genaue und betriebssichere Regelung der Gleichspannung verlangt, daß diese Rechteckimpulse eine konstante Impulsbreite aufweisen.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß eine regelbare Bezugsgleichspannung für den negativen Eingang der Vergleichsschaltung 42 erzeugt wird. Eine Diode 44, die Kondensatoren 45 und 46 sowie die Widerstände 47 und 48 bilden eine Gleichrichter-Filterschaltung zur Umsetzung der vollgleichgerichteten Netzwechselspannung der Wellenform B in eine Bezugsgleichspannung, deren Größe der Ampliiude der Netzwechselspannung direkt proportional ist. Bei dieser regelbaren Bezugsgleichspannung am negativen Eingang der Vergleichsschaltung 42 ändert sich die Bezugsgleichspannung im gleichen Sinn oder in der gleichen Richtung, wenn immer sich die Amplitude der Spannung mit der Wellenform B ändert (infolge einer Netzspannungsschwankung). Das heißt, daß beide an den Eingängen der Vergleichsschaltung 42 anliegenden Spannungen zur Amplitude der Netzwechselspannung direkt proportional sind. Nimmt beispielsweise die Netzwechselspannung ab, so fallen auch die Spannungen mit der Wellenform B am positiven Eingang der Vergleichsschaltung und die regelbare Bezugsgleichspannung am negativen Eingang ab. Somit schaltet die Vergleichsschaltung zu den gleichen beiden Zeitpunkten in jeder Halbperiode um und bewirkt, daß jeder Rechteckimpuls der Wellenform C jeweils dieselbe Impulsbreite unabhängig von der Größe der Netzwechselspannung aufweist.
Die einzelnen Impulse der Wellenform C weiden durch einen Impulsformungskreis mit einem PNP-Transistor 51 und seinen zugehörigen Schaltbauteilen in einen Sägezahnimpuls (Wellenform D) von derselben Impulsbreite umgesetzt. Die Rechteckspannung der WeI-lenform C liegt an der Basis des Transistors 51 an und steuert diesen abwechselnd zwischen Sättigung und Sperrstrom. Dabei sperren die Rechteckimpulse den Transistor, während die Impulslücken ihn in den Sättigungszustand steuern, wobei er durchsteuert, so daß eine sehr niedrige Impedanz zwischen Emitter und Kollektor vorhanden ist. Schaltet der Transistor 51 ab, dann lädt sich der Kondensator 52 in negativer Richtung (mit Blick auf die untere Seite des Kondensators) über einen Widerstand 53 zur Spannungsquelle V— hin auf, die beispielsweise —15 V= haben kann. Daher nimmt die Spannung am Punkt 54 bei jedem positiven Impuls der Wellenform Clinear ab und bildet die durch die Wellenform D dargestellte Sägezahnspannung. Am Ende der einzelnen Rechteckimpulse wird der Transistor 51 in die Sättigung gesteuert, worauf sich der Kondensator 52 sofort über den Emitter-Kollektorweg entlädt und die Sägezahnspannung beendet. Daher ändert sich die Spannung am Punkt 54 sofort auf V + (oder + 15 V = .
5
wenn V— gleich ist —15 V = ), da jetzt Emitter und werden in Abhängigkeit von den Anstiegsflanken der Kollektor des Transistors praktisch zusammengeschal- positiven Impulse der Wellenform £erzeugt. tet sind. Wie Wellenform D zeigt, bleibt die Spannung In Abhängigkeit von der Einstellung des Drehzahl-
am Punkt 54 auf V + während der (negativen) Impuls- reglers 58 wird der Taktzeitpunkt der Schaltimpulse auf iücken der Wellenform C. 5 der Leitung 22 automatisch eingestellt, so daß die durch
Man erkennt jetzt, daß die Breite der einzelnen Säge die Brücke 10 erzeugte Gleichspannung die entsprezahnimpulse der Wellenform Ddadurch konstant bleibt, chende Amplitude hat, um den Motor 32 mit der gedaß stets eine feste Impulsbreite für die Rechteckinipul- wählten Solldrehzahl anzutreiben. Wenn die Gleichseder Wellenform Cbeibehalten wird, selbst wenn star- spannung über den Sollwert ansteigt, fällt die Fehlerke Schwankungen in der Netzwechselspannung auf den io spannung ab und bewirkt, daß die Rechteckimpulse der Nctzleitungen Li und L1 auftreten. Wellenform E während der einzelnen Halbperioden zu
Die Sägezahnimpulse der Wellenform D steuern die einem späteren Zeitpunkt beginnen, wodurch die Gleichrichter 11 und 12, um die erzeugte Gleichspan- Gleichrichter bei einem größeren Phasenwinkel getrignung auf einer bestimmten Sollamplitude aufzubauen. gert werden, um die Gleichspannung auf der Gleich-Die Gleichspannung der Brücke ίθ gelangt über die !5 Spannungsschiene so weit abfallen zu lassen, bis der Gleichspannungsschiene und die Leitung 31 an den ne- richtige Amplitudenpegel wiederhergestellt ist. Angegativen oder Inversionseingang eines IC-Verstärkers 56, nommen, eine höhere Motordrehzahl sei erforderlich, der als Summenverstärker arbeitet, während eine Be- dann wird der Drehzahlregler 58 so eingestellt, daß die zugsgleichspannung am Knotenpunkt zwischen einem Fehlerspannung zunimmt, wodurch die Anstiegsflanken Festwiderstand 57 und einem Regelwiderstand 58 am 20 der Rechteckimpulse der Wellenform E voreilen, um die positiven oder nichtinvertierenden Eingang des Ver- Durchsteuerungsintervalle der Gleichrichter genügend stärkers anliegt. Die Größe der Gleichspannung auf der zu erhöhen, damit die Spannung der Gleichspannungs-Gleichspannungsschiene und daher auch die Amplitude schiene auf den erforderlichen Pegel zum Antrieb des und die Frequenz der Wechselrichterausgangsspannung Motors 32 mit der neuen Solldrehzahl angehoben werwird durch die Einstellung des Potentiometers 58 be- 25 de.
stimmt. Daher bildet dieses Potentiometer einen Dreh- .
zahlregler für den Motor 32 und ist auch so in Fig. 1 Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
gekennzeichnet. Die Spannung am positiven Eingang
des Summenverstärkers 56 wird addiert, während die negative Eingangsspannung subtrahiert wird. Als Ergebnis bildet der Ausgang des Verstärkers 56 eine Fehlerspannung, die sich in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Sollwert der Gleichspannung (durch die positive Eingangsspannung dargestellt) und dem Istwert der Gleichspannung (durch die negative Eingangsspannung dargestellt) verändert.
Ein Verstärker 61 arbeitet als Vergleichsschaltung; an seinem positiven oder nichtinvertierenden Eingang liegt die Fehlerspannung an, während an seinem negativen oder inversionseingang die Sägezahnspannung der Wellenform Dansteht.
Die Amplitude der Fehlerspannung, ungeachtet der Tatsache, v/o sich diese zu einem gegebenen Zeitpunkt befindet, fällt immer in den Amplitudenbereich, der durch die Sägezahnimpuise erfaßt ist. Zu Beginn einer Halbperiode der Netzspannung, wenn die Sägezahnspannung gerade beginnt, abzunehmen, ist die am negativen Eingang der Vergleichsschaltung 61 anstehende Spannung größer (oder positiver als) die Spannung am positiven Eingang der Vergleichsschaltung, woraus sich e;r.e verhältnismäßig niederpegeüge Ausgangsspannung ergibt, die durch die Wellenform £ dargestellt ist. An einem F'unkt in einer jeden Halbperiode fällt jedoch die Sägezahnspannung unter die Fehlerspannung ab, worauf die Vergleichsschaltung 61 plötzlich von einer niederpegeligen auf eine hochpegelige Ausgangsspannung umschaltet, die bis zum Ende der Sägezahnspannung erhalten bleibt, worauf die Ausgangsspannung der Vergleichsschaltung auf ihren niedrigen Pegel zurückfällt. Zu Erläuterungszwecken wurde die Wellenform E so gezeichnet, daß sie die Betriebsbedingungen angibt bei welchen die Fehlerspannung von entsprechender Größe ist, um den Beginn der ansteigenden Impulse bis etwa zum 50°-Punkt der Halbperiode von 180° zu verzögern. Das Signal der Wellenform £ steuert die Steuerschaltung 23 der Gleichrichter, die ihrerseits richtig taktgesteuerte Schaltstromimpulse zur Durchsteuerung der Gleichrichter 11 und 12 erzeugt Die Schaltimpulse

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Schaltungsancrdnung zum Regeln der Ausgangsspannung einer aus mindestens zwei gesteuerten Halbleitergleichrichtern bestehenden Gleichrichterbrücke, mit einem Rechteckimpulsformer, der aus der der Gleichrichterbrücke zugeführten Netzwechselspannung eine Rechteckimpulsfolge erzeugt, mit einem Sägezahnimpulsformer zum Umformen der Rechteekimpulsfolge in Sägezahnimpulse, und mit einem Regelglied, in dem abhängig von der Amplitude der Ausgangsspannung der Gleichrichterbrücke und den Sägezahnimpulsen ein Steuersignal erzeugt wird, das den Zeitpunkt der Durchsteuerung der Halbleitergleichrichter bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechteckimpulsformer zur Erzielung von Impulsbreiten, die unabhängig von Netzwechselspannungsschwankungen konstant sind, eine Vergleichsschaltung (42) aufweist, der die in einem Vollwellengleichrichter (39, 41) gleichgerichtete Netzwechselspannung und eine einstellbare Bezugsgleichspannung zugeführt werden, deren Amplitude sich abhängig von Amplitudenschwankungen der Netzwechselspannung ändert.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor den Vollwellengleichrichter (39,41) ein Spannungswandler (36) und ein Bandfilter (37) geschaltet sind, von dem Frequenzen der Netzwechselspannung ober- und unterhalb der Kommutierungsfrequenz ohne Phasenverschiebung der Netzspannungsfrequenz gefiltert werden.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsgleichspannung in einer an den Vollwellengleichrichter (39,41) angeschlossenen. Gleichrichterfilterschaltung (44—48) erzeugt wird.
DE3032289A 1979-09-12 1980-08-27 Schaltungsanordnung zum Regeln der Ausgangsspannung einer Gleichrichterbrücke Expired DE3032289C2 (de)

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