DE3130310A1 - "schaltungsanordnung zur erzeugung einer regelbaren wechselspannung" - Google Patents

"schaltungsanordnung zur erzeugung einer regelbaren wechselspannung"

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DE3130310A1
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Guenter Ing Grad Dohrmann
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Airbus Defence and Space GmbH
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Vereinigte Flugtechnische Werke GmbH
Vereinigte Flugtechnische Werke Fokker GmbH
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Ac-Ac Conversion (AREA)

Description

  • Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer regelbaren Wechsel-
  • spannung Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer regelbaren Wechselspannung aus einer GLeichspannung mit zwei im Gegentakt betriebenen Schaltstufen, deren Ausgangsspannung über einen Transformator und ein Filter dem Verbraucher zugeführt ist.
  • Zur Versorgung von Verbrauchern ist es üblich, Wechselrichter zu benutzen. Solche Wechselrichter bieten insbesondere bei Netzausfall die Möglichkeit zur unterbrechungsfreien Stromversorgung. Neben der Netzstromversorgung können Wechselrichter aber auch als Frequenzwandler eingesetzt werden, wenn z.B. ein zu versorgender Verbraucher eine vom zur Verfügung stehenden Netz abweichende Versoroungsfrequenz benötigt. Wechselrichter sind somit Schaltgeräte, bei welchen z.B. zwei im Gegentakt betriebene Schaltstufen eine Gleichspannung zerhacken und über einen Transformator und Filter zum Verbrauch zur Verfügung stellen. Dabei kann neben der Frequenz auch die Amplitude der zu erzeugenden Wechselspannung durch entsprechende Bemessung der Schaltstufen und Bauelemente beeinflußt werden.
  • Eine Schaltungsanordnung, die zur Erzeugung einer Wechselspannung vorgesehen ist, geht z.B. aus der DE-OS 23 19 319 hervor. Bei dieser zur Notstromversorgung wichtiger Verbraucher vorgesehenen Schaltungsanordnung sind die Wechselrichter redundant, und zwar verdreifacht ausgeführt und durch untereinander verkoppelte Regelkreise synchronisiert. Aufgrund der redundanten Ausführung ist diese Schaltungsanordnung nicht nursehr aufwendig und teuer, sondern auch mit einem schlechten Wirkungsgrad behaftet. Außerdem hat diese Schaltungsanordnung einen entsprechenden Raumbedarf und ein entsprechend großes Gewicht und ist daher zum Einsatz in Luftfahrzeugen nicht geeignet.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Wechselspannung aus einer Gleichspannung vorzusehen, die mit geringem Raumbedarf, geringem Gewicht und hohem Wirkungsgrad in der Lage ist, verschiedene Wechselspannuhgen zu erzeugen. Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Kennzeichenmerkmale gelöst.
  • Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Es eigen Fig. 1 eine Schaltungsariordnung zur Erzeugung einer yeregelten Wechselspannung einstellbare Form, AmpLitude und Frequenz und Fig. 2 eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer ungeregetten Rechteckwechselspannung.
  • In der Darstellung nach Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines Wechselrichters zu sehen, der zur Erzeugung einer sinusförmigen, rechteckförmigen oder dreieckförmigen Wechselspannung geeignet ist. Die Einstellung der jeweils am Ausgang gewünschten Wechselspannung wird mit einer Sotlwertstufe 10, z.B. mit einem Funktionsgenerator, vorgenommen. Hierfür können im Handet erhältliche integrierte Bausteine mit entsprechender äußerer Beschaltung eingesetzt werden. Zum Vergleich des Sotlwertsignals mit dem vom Ausgang mit einem Potentiometer 11 abgreifbaren Istwert ist ein Regelverstärker 12 vorgesehen. Am Ausgang dieses Regelverstärkers 12 steht somit ein Regetabweichungssignal zur Verfügung, das einer GLeichrichterstufe 13 und einem Komparator 4 zugeführt ist. In der Gleichrichterstufe 13 wird aus dem Regelabweichungssignat durch eine Zweiweg-Präzisionsgteichrichtung ein BetragssignaL von der Regelabweichung gebildet, während das dem Komparator 14 zugeführte Regelabweichungssignal lediglich als Polaritätssignal auf die Steuerung des Komparators 14 einwirkt. Das Betragssignal der Regelabweichung wird danach über eine Summierstufe 15 und einen zur galvanischen Trennung dieses Signalweges dienenden Optokoppler 16 einem SchaLtregLer 17 zugeführt.
  • Das Betragssignal der Regelabweichung beeinflußt die Impulsbreiten der vom Schaltregler 17 erzeugten Impulse, dessen Takifrequenz auf einen gegenüber der Frequenz der zu erzeugenden chselspannung wesentlich höheren Wert festlegbar ist. Dies kann als Farameter - wie durch den Pfeil 18 angedeutet - dem Schaltregler 17 eingegeben werden, wobei auch noch die statische und die dynamische Verstärkung sowie die Strombegrenzung vorgebbar sind. Der Schaltregler 17 steuert somit mit seinen beiden Ausgängen je eine SchaLtstufe 19, 20 im Gegentakt an, so daß diese nach dem bei Schaltnetzieilen bekannten erfahren die Primärwicklung 22 eines eines Transformators 21 beeinflussen. Hierzu besitzt die Primärwicklung 22 eine Mittelanzapfung, die über ein Filter 24 an die Stromversorgung 25 gekoppelt ist. Bei der Stromversorgung 25 kann es sich um ein Gleichspannungsnetz oder um eine von einem Wechselstromnetz versorgte Gleichrichterstufe handeln, wobei das Filter 24 Störungen der Taktfrequenz auf das jeweilige Versorgungsnetz unterdrückt. Der Maximalwert der auf die Sekundärwicklung 23 des Transformators 21 transformierten Wechselspannung wird dabei im wesentlichen durch die Versorgungsspannung, das Übersetzungsverhältnis des Transformators 21 und die geregelten Impulsbreiten des Schaltreglers 17 bestimmt. Die Sekundärwicklung 23 des Transformators 21 ist ebenfalls mittelpunktangezapft und mit diesem Abgriff auf Masse bezogen. Von den Außenpunkten der Sekundärwicklung 23 ist die erzeugte Wechselspannung jeweils zwei Zweiweg-Gleichrichterstufen 26, 27 zugeführt, deren Ausgänge durch jeweils eine der jeweiligen Polarität zugeordnete Schaltstufe 28, 29 auf eine Summierstufe 30 geschaltet werden. Die Durchschaltung der Ausgangsspannung der Gleichrichterstufen 26, 27 durch die Schaltstufen 28, 29 wird dabei durch den Komparator 14 gesteuert, welcher - wie bereits erwähnt - vom Polaritätssignal der Regelabweichung beeinflußt wird. An der Summierstufe 30 steht daher eine geregelte Wechselspannung zur Verfügung, die über ein aus Spei- cherdrossel und Siebkondensator bestehendes Filter 31 auf den Ausgang gelangt. Zur Verbesserung der Stabilität der Schaltung wird dem Betragssignal der Regelabweichung ein einstellbarer An-Seil der durch die Gleichrichterstufe 27 gleichgerichteten ngativen Ausgangsspannung des Transformators 21 addiert. Dazu ist vom Ausgang der Gleichrichterstufe 27 ein Potentiometer 32 nach Masse geschaltet, dessen Abgriff mit der zwischen der Gteichrichterstufe 13 und dem Optokoppler 16 Liegenden Suinmierstufe 15 verbunden ist. Diese am Potentiometer 32 abgreifbare Spannung ist nicht mit den Zeitkonstanten der Schaltstufen 28, 29 und dem Filter 31 behaftet und besitzt daher gegenüber dem am Ausgang abgegriffenen Istwert eine Phasenvoreilung, so daß sich hierdurch eine angemessene Dämpfung für den Regelkreis erzielen läßt.
  • Wie bereits erwähnt, kann die Taktfrequenz des Schaltreglers 17 vorgegeben werden, wobei - wie praktische Versuche bestätigt haben - eine Einstellung zwischen 10 KHz und 100 KHz möglich ist.
  • Die Festlegung der Taktfrequenz wird dabei im wesentlichen durch den beabsichtigten Einsatz der Schaltung bestimmt. Eine hohe Taktfrequenz hat den Vorteil einer höheren Regelgenauigkeit, höheren Dynamik und eines kleineren Bauvolumens, aber auch größere Schaltverluste. Die Grenzfrequenz für die erzeugbare Wechselspannung liegt bei 1000 Hz, und der Wirkungsgrad erreicht 80%.
  • Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann eine Versorgung von Wechselspannungsverbrauchern aus Gleichstromquellen, z.B. zur Notstromversorgung, vorgenommen werden. Es ist aber auch möglich, hiermit eine Frequenzwandlung durchzuführen, z.B. zum Betrieb von 400-Hz-Verbrauchern, durch Versorgung aus einem 50-Hz-Netz. Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann aber auch eine kontinuierliche Änderung der Ausgangsfrequenz erzielt werden, so daß eine genaue Drehzahlsteuerung von Synchronmotoren oder Drehzahlregelungvon Asyrichronmotoren hiermit vorgenommen werden kann.
  • Eine weitere Anwendung ist der Einsatz als Servoversfärker auch für höhere Leistungen mit gleich7eitiger SponnungsirUnsformation und galvanischer Entkopplung. Hierbei ergibt sich der Vorteil der Vermeidung hoher Motorströme und der Unterdrückung von Störungen durch Taktimpulse auf die Motorzuleitungen -im Gegensatz zu pulsbreitengesteuerten Schaltvcrstäkern. Schließlich ist es auch möglich, die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung als Leistungsfunktionsqenerator für Sinusspannungen, Rechteckspannungen, Dreieckspannungen usw. einzusetzen, wobei diese Spannungen nullpunktsymmetrisch oder mit einem positiven oder negativen Gleichspannungsanteil behaftet sein können. Selbstverständlich ergibt sich dabei durch den geringen Raumbedarf auch ein geringes Gewicht, das für vielfältige Anwendungen, z.B. im Luftfahrtsektor, von großer Bedeutung ist.
  • Wie das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 zeigt, kann die Schaltungsanordnung auch in vereinfachter Form sinnvoll betrieben werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird am Ausgang eine ungeregelte Rechteckwechselspannung zur Verfügung gestellt, so daß die Sollwertstufe 10, die Istwerterfassung, der Regelverstärker 12, der Präzisionsgleichrichter 13 sowie die Summierstufe 15 und der Optokoppler entfallen. Außerdem wird der Komparator 14 durch einen frequenzbestimmenden Rechteckgenerator 35 ersetzt und der Schaltregler 17 durch eine interne Referenz auf Pulsbreiten von 450 der Periodendauer mit jeweils einem Nullspannungsintervall von 5% der Periode zwischen den Impulsen festgelegt. Am Ausgang kann dann -wie bereits erwähnt - eine ungeregelte Rechteckwechselspannung entnommen werden, welche für bestimmte Einsatzgebiete ausreicht.
  • Auf der Grundlage dieser vereinfachten Schaltungsanordnung ist es auch möglich, Mehrphasenspannungen mit variabler Frequenz, z.B.
  • zum Betrieb von Drehstromantrieben, zu erzeugen. Bei einem solchem Anwendungsfall wird dem Rechteckgenerator 35 ein Zähler nachgeschaltet, dessen Ausgänge über eine entsprechende Dekodierung das Drehstrom-Steuersignal für die dann parallel eingesetzten SchaLtungsanordnungen ergeben.
  • Leerseite

Claims (8)

  1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer regelbaren Wechselspannung Patentansprüche 1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer regelbaenWechselspannung aus einer Gleichspannung mit zwei im Gegentakt betriebenen Schaltstufen, deren Ausgangsspannung über einen Transformator und ein Filter dem Verbraucher zugeführt ist, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß die Schaltstufen (19, 20) durch einen gegenüber der erzeugten Wechselspannung mit hoher Taktfrequenz arbeitenden pulsbreitenbeeinflußbaren Schaltregler (17) steuerbar sind, daß die Pulsbreiten des Schaltreglers (17) vom Betragssignal der in einem Reglerverstärker (12) aus dem Sollwert und dem Istwert abgeleiteten Regelabweichung beeinflußt werden, daß das Polaritätssignal der Regelabweichung einem Komparator (14) zur wechselweisen Durchschaltung der 1rarIsforinier1en und zweTwcggleichoerichteten Wechselparlung zugeleitet ist und daß der Solihert nach Form, Amplitude und Frequenz in einer Sollwertstufe (10) vorgebbar ist.
  2. 2. SchaLtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß zur wechselweisen Durchschaltung in Abhängigkeit des Komparators (14) zwei den Polaritäten zugeordnete Schaltstufen (28, 29) vorgesehen sind, die jeweils über entsprechende Zweiweg-Gleichrichterstufen (26, 27) von der mit seiner Mittelanzapfung an Masse liegenden Sekundärwicklung (23) des Transformators (21) versorgt werden.
  3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Betragssignal der Regelabweichung in einer Gleichrichterstufe (13) durch eine Zweiweg-Präzisionsgleichrichtung erzeugt wird.
  4. 4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das in der Gleichrichterstufe (13) erzeugte Betragssignal der Regelabweichung dem pulsbreitensteuerbaren Schaltregler (17) über einen Optokoppter (16) zugeführt ist.
  5. 5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Ausgangssignal einer Gleichrichterstufe (27) dem Schaltregler (17) zur Dämpfung des Regelkreises aufgeschaltet ist.
  6. 6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Ausgangssignal der Gteichrichterstufe (27) einer mit dem Beiragssignal der Regelabweichung angesteuerten Summierstufe (15) zugeführt ist, deren Ausgangssignal über den Optokoppler (16) zum Schaltregler (17) gelangt.
  7. 7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß für die Sollwertstufe (10) ein Funktionsgonerator eingesetzt ist.
  8. 8. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der vom Polaritätssignal des Regelverstärkers (12) steuerbare Komparator (14) durch einen frequenzbestimmenden Rechteckgenerator (35) ersetzt ist, und daß der Schaltregler (17) durch eine interne Referenz auf Pulsbreiten von 45% der Periodendauer festgelegt ist mit jeweils einem Nullspannungsintervall von 5% der Periode zwischen den positiven und negativen Impulsen.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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