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Stromversorgungsgerät mit einem geregelten Gleich-
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umrichter Die Erfindung bezieht sich auf ein Stromversorgungsgerät
mit einem geregelten Halbleiter-Gleichumrichter nach dem Durchflußprinzip zur Erzeugung
einer oder mehrerer geregelter Ausgangsepannungen.
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Elektronische Systeme, wie sie z.B. in der Nachrichtentechnik verwendet
werden, stellen sehr unterschiedliche Anforderungen an die Geratestromversorgung
in Bezug auf die Art der Energiequelle, den Leistungsbedarf, die Konstanz und Anzahl
der Ausgangskreise und die Unterdrückung von Störfrequenzen. Um aber je nach Anforderung
alle oder einen Teil dieser Forderungen verwirklichen zu können, ist es erforderlich,
ein eigens den jeweiligen Verhältnissen angepaßtes Stromversorgungsgerät zu konzipieren.
Vom wirtschaftlichen Standpunkt aus gesehen ist eine derartige Vorgehensweiser in
hohem Maße unbefriedigend, da letzten Endes jede Gerätestromversorgung eine eigene
Entwicklung erfordert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schaltungskonzept anzugeben;
das möglichst viele an Gerätestromversorgungsgeräten gestellte Anforderungen erfüllen
kann. Dabei soll nicht nur der jeweils erforderlic-he Entwicklungsaufwand auf ein
Minimum reduziert werden, sondern gleichzeitig der Materialaufwand und die Abmessungen
der Gerätestromversorgungen bei verbessertem Wirkungsgrad vermindert werden. Ausgehend
von
dem an sich bekannten besonders flexiblen und rationellen Prinzip des Durchflußumrichters
erfolgt die Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß durch einen modularen Aufbau von
für das Durchflußprinzip elementaren Teilen der Schaltung in Form von Standard-Steuerbausteinen,
die teilweise oder insgesamt entsprechend den Anforderungen an die jeweilige Gerätestromversorgung,
z.B. für eine indirekte (EMK-)Regelung von mehreren Ausgangsspannungen, eine direkte
(Sekundär-)Regelung einer einzigen Ausgangsspannung oder für einen taktsynchronen
Parallelbetrieb mehrerer Umrichter, optimal aufeinander abgestimmt einsetzbar sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der durch
Standard-Steuerbausteine verwirklichte modulare Aufbau elementarer Schaltungsteile
auf die Anwendung des Prinzips der Kaskadenregelung (Hilfsregler mit Führungsregler)
bei Durchflußumrichtern abgestimmt.
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Schon bei Verwendung einer kleinen Anzahl modularer Steuerbausteine
einem Regler-Modul für EiK-Regelung, einem Meßwertübertrager-Modul und einem Führungs
-regler-Modul läßt sich durch die modulare Aufbauweise bei einer erheblichen Vereinheitlichung
eine Anzahl von Schaltungsvarianten verwirklichen, die optimal an die jeweilige
Einsatzweise angepaßte Stromversorgungsgeräte ermöglichen. Die möglichen Einsatzfälle
umfassen sowohl Geräte mit einem oder mehreren Ausgangskreisen als auch netz- und
batteriegespeiste Stromversorgungsgerate.
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Der eigentliche Leistungsteil eines derart ausgebildeten Durchflußumrichters
mit Schalttransiszor, Übertrager, Treiberstufe und äußerer 3eschaltung kann
dabei
gemäß den gerätespezifischen Anforderungen weitgehend frei dimensioniert und konstruktiv
aufgebaut werden.
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Bei gleichzeitiger Verwendung eines Meßwertübertrager-Moduls und eines
Regler-Moduls für EMK-Regelung, der für die indirekte Regelung bei mehreren Ausgangskreisen
des Durchflußumrichters konzipiert ist, kann auch eine direkte Regelung eines Ausgangskreises
durchgeführt werden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann bei dieser Betriebsart
die pulsierende Gleichspannung an der Freilaufdiode im Ausgang des Durchflußumrichters
für die Regelung herangezogen werden.
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Die Übertragung der Spannungsimpulse erfolgt mittels des Meßwertübertrager-Moduls
auf den Regelgrößeneingang des Regler-Moduls. Mit dieser Regelschaltung wird bereits
eine Verbesserung der Ausgangsspannungskonstanz bei Laständerungen erzielt, da der
Spannungsabfall in der Sekundärwicklung des Leistungsübertragers und in der Gleichrichterdiode
(Längsdiode) im Gegensatz zur IK-Regler vom Regler mit erfaßt werden.
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In einer weiteren Ausbaustufe, die zusätzlich einen Führungsregler-Modul
verwendet, kann auch die noch verbleibende Abweichung infolge des ohmschen Spannungsabfalls
in einer Drossel der Siebschaltung des Durchflußumrichters erfaßt und verstärkt
dem Meßwertübertrager-Modul zur Steuerung der Amplituden der von der Freilaufdiode
abgeleiteten Spannungsimpulse zugeführt werden. Dieses Verfahren bietet die bekannten
Vorteile der Kaskadenregelung mit großer Stabilitätsreserve bei guten Regeleigenschaften.
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3i;n taktsynchroner Parallelbetrieb mehrerer Durchflußumrichter auch
unterschiedlichen Leistungstyps
wird durch die Anwendung der erfindungsgemäßen
modularen Steuerbausteine stark vereinfacht und unproblematisch. Der Parallelbetrieb
erfordert lediglich einen zentralen Führungsregler-Modul zur direkten Regelung der
gemeinsamen Ausgangsspannung, wobei zusätzliche Maßnahmen zur Stromsymmetrierung
überflüssig sind.
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Bei Verwendung getrennt eingreifender Strombegrenzungsregler bleibt
die Stromaufteilung auch im Überlastfall erhalten.
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Die Verwendung der modularen Steuerbausteine ist soohl in Verbind
mit Eintakt- als auch mit Gegentakt-Durchflußumrichtern möglich.
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Die Erfindung und weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand
der Figuren näher erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 und Fig. 2 die Prinzip schaltbilder eines netzgespeisten
Eintakt-Durchflußumrlchters mit EI Regelung (Fig. 1) und Sekundär-Regelung (Fig.2),
Fig. 3 das Prinzipschaltbild von zwei im Parallelbetrieb arbeitenden Durchflußumrichtern,
Fig. 4 das Blockschaltbild eines Regler-Moduls, Fig. 5 das Funktions-Blockschaltbild
der in Hybridtechnik ausgebildeten Regelschaltung im Regler-Modul.
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Die in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Varianten von Durchflußumrichter
können sowohl über entsprechende Gleichrichterschaltungen aus einem Wechselspannungsnetz
oder auch aus einer Batterie mit- unterschiedlicher Spannung betrieben werden. Die
Ansteuerung der Leistungstransistoren TS1 der Durchflußurarichter arbeitet mit einer
Pulsfolgefrequenz von z.B.
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30 kHz, deren Tastgrad in bekannter Weise von der Regelabweichung
verändert wird. Due Durchflußumrichter aller drei Ausführungen bestehen im wesentlichen
aus dem eigentlichen Leistungsteil mit dem Schalttransistor Ts1 (Leistungstransistor),
je einem Ubertrager Ul, Ü2, Ü3, einer Längsdiode D7 und einer Freilaufdiode D2 mit
einer Drossel Dr im Ausgangskreis des Ubertragers Ül, Ü2, U3 Ü3 sowie aus den modularen
Steuerbausteinen, nämlich dem Regler-Modul RII, dem Meßwertübertrager-Modul NUN
und dem Führungsregler-Modul Form.
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Um bei der direkten Regelung (Sekundärregelung) (Fig.2) der Ausgangsspannung
des Durchflußumrichters die Anwendung des an sich bekannten Prinzips der Kaskadenregelung
zu ermöglichen, liegen der modularen Struktur des Reglerkonzepts drei unterschiedliche
Funktionseinheiten zugrunde. Der Regler-Modul RM als einer dieser Steuerbausteine
kommt in allen Versionen des Durchflußumrichters zur Anwendung und stellt damit
den modularen Grund-Steuerbaustein sowohl für indirekt (EME-) geregelte als auch
für direkt (Sekundär-) geregelte Durchflußumrichter dar. Bei einem EFE-geregelten
Durchflußumrichter (Fig. 1) liefert eine eigens dafür vorgesehene Wicklung w des
Umrichterübertragers Ul die gepulste Regelgröße zur Ansteuerung des Regler-Moduls
RM.
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Der blockschaltungsmäßige Aufbau des Regler-Moduls P* ist in Fig.
4 und das Funktions-Blockschaltbild der Hybridschaltung der eigentlichen Regelschaltung
in Fig. 5 wiedergegeben.
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Die Anwendung des Reglermoduls RM ist in einem weiten Eingangsspannungsbereich
bei konstant geringem Leistungsbedarf möglch. Der Regler-Nodul RM verwendet
für
Netzbetrieb und für Batteriebetrieb die gleichen integrierten Bausteine 1C1 und
IC2. Der Baustein ICI dient der stabilisierten Hilfsspannungserzeugung und der Baustein
IC2 ist der eigentliche Reglerbaustein.
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Zur Beschaltung der beiden als Hybridschaltungen ausgebildeten Bausteine
IC1 und IC2 gehört eine Eingangsschaltung, eine Treiberstufe sowie ein RCD-Netzwerk
zur Verknüpfung der Bausteine ICI und IC2 und zur brzeugung der Regler-Referenzspannungen.
Eine direkte Störgrößenaufschaltung an die Klemme 4 des Bausteines IC2 verbessert
das Regelverhalten. Durch getrennte Regelung von Spannung (über die Anschlüsse S,
R, EMK des Regler-Moduls) und Strom (über die Anschlüsse CTR -/+) sowie eine Überstromsignalisierung
(über den Anschluß SIG des Regler-Moduls) wird eine hohe Betriebssicherheit erreicht.
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Die Wirkungsweise des eigentlichen Regler-Bausteines IC2 ist durch
fünf Funktionseinheiten bestimmt (Fig. 3): Taktgeber TG, Sägezahngenerator SZG,
Analog-Digital-Umsetzer ADU, tromregler RGI, Spannungsregler RGU und Signalteil
Überstrom UST. Die direkte Kompensation von Eingangs spannungsstörungen ohne Reglereingriff
erfolgt durch die im Analog-Digitalumsetzer ADU eingreifende Störgrößenaufschaltung
über die Klemme 4. Ein ebenfalls in den Analog-Digitalumsetzer ADU eingreifendes
Zeitglied bewirkt beim Einschalten einen sogenannten "Soft-Start" des Ausgangsspannungsanstiegs.
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Der Baustein IC1 beinhaltet eine sakts,mchrone Steuesteuerung der
Funktionseinheit zur Erzeugung stabilisierter interner Hilfsspannungen. Der Treiberstufe
Tr mit einer Laststromrückkopplung kommt die wichtige Aufgabe zu, den Schalttransistor
Ts1 dynamisch durch Ubersteuerung während des Einschaltvorganges und durch
gezielten
Emitter-Basis-Durchbruch während des Abschaltvorganges optimal anzusteuern. In der
Sperrphase wird dem Schalttransistor Ts1 eine statische Sperrspannung angeboten.
Die gepulste Regelgröße +EMK an der Wicklung w des Übertragers Ul wird in einem
Speicherglied geglättet und über einen abgleichbaren Meßteiler dem Spannungsregler
Rgu zum Istwert-Sollwertvergleich zugeführt.
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Bei Verwendung eines zusätzlichen modularen Steuerbausteines MÜM zur
Potentialtrennung und Meßwertübertragung ist der für indirekte (ElE-)Regelung bei
mehreren Ausgangskreisen konzipierte Regler-Nodul Rf;l auch bei direkter (Sekundär-)Regelung
eines Ausgangskreises des Durchflußumrichters (Fig. 2) unverändert einsetzbar. Bei
dieser Betriebsart wird die pulsierende Gleichspannung an der Freilaufdiode D2 zum
Regelgrößeneingang (+ESdK/+R) des Regler-Moduls RM übertragen, Das Übersetzungsverhältnis
des dazu erforderlichen Transformators ist dabei der jeweils vorliegenden Ausgangsspannung
des Durchflußumrichters so angepaßt, daß am Regelgrößeneingang des Regler-Noduls
Wir in vergleichbarem Arbeitspunkt immer gleiche Amplitudenwerte anliegen. Durch
die Verwendung der Spannungsimpulse an der Freilaufdiode D2 als Regelgröße ist auch
bereits eine Verbesserung der Ausgangsspannungskonstenz bei Laständerungen erzielbar,
da der Spannungsabfall in der Sekundärwicklung swl des Ubertragers Ü2 und der Diode
D1 im Gegensatz zur EAS-Regelung vom Regelvorgang erfaßt werden.
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In einer weiteren Ausbaustufe des Durchflußumrichters wird die noch
verbleibende Abweichung infolge des ohmschen Spannungsabfailes in der Siebdrossel
Dr durch einen Führungsregler-Modul FZI erfaßt und dem
Meßwertübertrager-Modul
ItH zur erforderlichen Korrektur der von der Freilaufdiode D2 stammenden Amplitudenwerte
zugeführt. Dieser Eingriff des Führungsregler-Moduls MUM bleibt bei auftretender
Eingangsspannungsschwankung AUe durch die damit einerseits verbundene Amplitudenänderung
an der Freilaufdiode und durch die andererseits mittels Störgrößenaufschaltung bewirkte
Tastgradänderung auf ein Minimum beschränkt. Bei dieser Direktregelung der Verbraucherspannung
sowohl im Einzel- als auch im Parallelbetrieb von mehreren Durchflußumrichtern ermittelt
der Führungsregler-Modul FRM durch einen Istwert-Sollwertvergleich die RegleraSweichung.
Die Spannungspulse an der Freilaufdiode, die im Meßwertübertrager-Modul in Abhangigkeit
von der Regelabweichung gesteuert werden, stellen hier eine Hilfsregelgröße dar.
Dieses Verfahren bietet die bekannten Vorteile der Kaskadenregelung mit großer Stabilitätsreserve
bei guten Regeleigenschaften. Da aufgrund des Kaskadenprinzips der Führungsregler
keine große Verstärkung aufzubringen hat, ist sein Durchgriff auf die Tastgradverstellung
begrenzt. Damit bleibt auch die Rückwirkung von Lastachwankungen im direkt geregelten
Ausgangs kreis auf weitere Umrichterausgänge in Grenzen.
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Ein weiterer Vorteil der Anwendung des Kaskadenprinzips durch Verwendung
eines Führungsreglerw oduls Fl in Verbindung mit einem Meßwertübertrager-Modul NUN
besteht darin, daß ein komplikationsloser taktsynchroner Parallelbetrieb mehrerer
Durchflußumrichter mit je einem Hilfsregelkreis und nur einem gemein-
samen
Führungsregler-Modul FRM zur Direkt-Regelung der gemeinsamen Ausgangsspannung ohne
zusätzliche Einrichtungen zur Symmetrierung des Stromes möglich ist (Fig. 3).
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8 Patentansprüche 5 Figuren
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