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Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer regelbaren Wechsel-
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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.
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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.
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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.
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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.
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Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind
den Unteransprüchen zu entnehmen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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%.
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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.
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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.
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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.
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Auf der Grundlage dieser vereinfachten Schaltungsanordnung ist es
auch möglich, Mehrphasenspannungen mit variabler Frequenz, z.B.
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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.
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