DE3312693A1

DE3312693A1 - Vorwaertsregelungs-wechselspannungs-stabilisator

Info

Publication number: DE3312693A1
Application number: DE19833312693
Authority: DE
Inventors: Johnny Floyd Santa Clara Calif. Brown
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1982-04-12
Filing date: 1983-04-08
Publication date: 1983-10-13
Also published as: JPS58186814A; GB8306939D0; FR2524997A1; GB2118335A; GB2118335B; US4429269A; FR2524997B1; CA1193655A

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Regeln der Netz-Wechselspannung und insbesondere eine elektronische Vorwärtsregelungs-Einrichtung zum Stabilisieren der Netzwechselspannung.

Die Stabilisierung der Netzwechselspannung ist auf verschiedene Weise durchgeführt worden. Eine konventionelle Lösung besteht darin_s einen Motor zu verwenden, mit dem ein Regeltransformator angetireben wird (auch als Variac (Wz) bezeichnet). Die Stärke des den Motor treibenden Stroms wird durch den Pegel der ankommenden Spannung bestimmt und treibt die Welle des Regel transformator, um eine höhere Ausgangsspannung zu liefern, wenn die ankommende Netzspannung niedrig ist, und umgekehrt wird der Regeltransformator so angetrieben, daß er eine kleinere Ausgangsspannung liefert, wenn die ankommende Spannung hoch ist. Ein anderer Lösungsweg besteht darin, einen motorgetriebenen Inductrol (Wz) zu verwenden, bei dem eine variable Induktivität in Reihe mit der ankommenden Netzspannung geschaltet ist. Die Induktivität wird im notwendigen Maße variiert, um die Netzspannung anzuheben oder abzusenken. Eine dritte Möglichkeit besteht darin, eine ferroresonante Regulierung dadurch durchzuführen, daß eine Transformatorwicklung in Reihe mit der ankommenden Netzspannung eingesetzt wird. Die Spannung wird durch das Prinzip der magnetischen Sättigung stabilisiert, d.h. beim Anstieg der Spannung wird der Transformatorkern gesättigt und die Netzspannung wird herabgezogen; umgekehrt, wenn die Spannung absinkt, verringert sich die Belastung des Transformators und die Spannung neigt dazu, zu steigen. Vergleiche beispielsweise W. Hemena "Ferro-Resonant Transformer with Power Supply Regulation", IBM Tech. Discl. Bull., Band 22, S. 2903 (1979) und K. Onerud et al., "Primary Switched Power Supplies with Ferro-resonant Stabilization", Proceedings, Third International Telecommunications Energy Conference, S. 138-143 (1981).

Die inhärenten Nachteile bekannter Wechselspannungs-Stabilisierungstechniken sind z.B. langsames Ansprechen, Abnutzung mechanischer Teile und Gestänge (insbesondere für Regel transformatoren) und Frequenzabhängigkeit (insbesondere bei der ferro-resonanten Stabilisierung). Diese Nachteile bilden den

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Hintergrund für die Entwicklung einer rein elektronischen Stabilisierung von Wechselspannungen. Eine Lösung mit einer solchen reinen elektronischen Stabilisierung besteht darin, daß eine Reihe von Triacs in Abzweigungen zwischen einer Seite der Wechselspannungsleitung und verschiedenen primärsei ti gen Eingängen eines Schalttransformators mit vielfacher Primärwicklung verwendet werden, der in die andere Wechselstromnetzleitung eingeschaltet ist. Durch Einschalten eines bestimmten Triac zu irgendeinem Zeitpunkt kann eine bestimmte Spannung im Ausgang erreicht werden. Je mehr Triacs zwischen der Wechselspannungsleitung und den verschiedenen Primäreingängen des Schalttransformators mit Vielfachprimärwicklung verwendet werden, umso feinstufiger ist die Stabilisierung. Diese Lösung erfordert jedoch, daß der volle Laststrom durch das jeweils eingeschaltete Triac fließt. Für Leistungsverstärker müssen also Triacs mit hohem Nennstrom verwendet werden. Diese sind notwendigerweise teuer und Energieverluste müssen durch sie erwartet werden. Vergleiche beispielsweise den Wechselspannungsregulator,der beschrieben ist in "AC Line Regulator Brochure", Power-Matic Inc. San Diego, CaI., USA.

Durch die Erfindung soll also eine Spannungsstabilisierung einer Wechselspannungsleitung durch rein elektronische Mittel erreicht werden.

Insbesondere soll durch die Erfindung eine zuverlässige elektronische Stabilisierung einer Netzwechselspannung erreicht werden. Weiterhin soll durch die Erfindung eine elektronische Stabilisierung einer Netzwechselspannung durch Festkörperbauteile für niedrige Leistungen erreicht werden. Weiterhin soll durch die Erfindung eine elektronische Stabilisierung einer Wechselspannung erreicht werden, mit der der Leistungsfaktor nicht nennenswert beeinträchtigt wird. Außerdem soll durch die Erfindung eine unabhängige Phasenstabilisierung einer mehrphasigen Wechselspannung erreicht werden.

Der erfindungsgemäße Vorwärtsregelungs-Wechselspannungs-Stabilisator soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden; es zeigen:

Fig. 1 ein Gesamtblockschaltbild eines erfindungsgemäßen Wechsel-Spannungsstabilisators;

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Anlasserschaltungen;

Fig. 3 ein Blockschaltbild des Analog/Digital-Triggergenerators;

Fig. 4 ein Blockschaltbild der Stabilisierungssteuerung;

Fig. 5 ein Blockschaltbild des Anhebe-Absenk-Transformators und der Polaritatssteuerschaltung;

Fig. 6 eine Wertetabelle für die Polaritä'tssteuerschaltung; Fig. 7 ein Blockschaltbild des Analogskali.erers; und Fig. 8 ein Blockschaltbild der Anpaßspannungsquelle.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Vorwärtsregelungs-Wechselspannungs-Stabilisator arbeitet mit einem Anhebungs-Absenkungs-Transformator, um Anpaßspannungen an ein unstabilisiertes Wechselspannungsnetz zu legen. Eine Analogschaltung fragt periodisch die unstabilisierte Netzwechselspannung am Eingang ab und vergleicht sie mit einer skalierten Darstellung der gewünschten Netzspannung. Eine Digitalschaltung wird dazu verwendet, die Information von der analogen Abfrage und dem Vergleich in einen Befehl umzuwandeln, der einen geeigneten Festkörperschalter aktiviert, der mit einem Abgriff eines Transformators mit mehreren Abgriffen assoziiert ist, der mit der stabilisierten Ausgangswechselspannungsleitung verbunden ist. Die Abgriffe sind nacheinander auf einem Transformator mit mehreren Abgriffen angeordnet, um wählbare Anpaßspannungen von verschiedenen Werten zu erhalten. Die eingeschaltete Anpaßspannung erhält die zutreffende Polarität und wird der Primärwicklung des Anhebungs-Absenkungs-Transformators zugeführt, so daß an der Sekundärwicklung die Anpaßspannung erscheint, die dazu benötigt wird, die stabilisierte Ausgangswechselspannung auf den gewünschten Pegel zu bringen.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Die elektronische Stabilisierung einer Netzwechsel spannung wird durch einen Anhebungs-Absenkungs-Transformator (auch Kompensationstransformator

genannt) nach Art einer Vorwärtsregelung erreicht, d.h. die ankommende Netzwechselspannung wird abgefragt, mit einem Bezug verglichen und,falls notwendig, wird eine Anpassung der Netzspannung vorgenommen, um auf der Ausgangsleitung den gewünschten Spannungspegel zu erhalten. Die ankommende Netzwechsel spannung ist damit unstabilisiert, während die Ausgangswechselspannung stabilisiert ist. Der Gewinn der Schaltung für Abfragen, Vergleich und Anpassung ist notwendigerweise eins, wegen der verwendeten Steuertechnik.

Beim erfindungsgemäßen elektronischen Vorwärts-Stabilisator wird die ankommende Netzspannung angehoben oder abgesenkt, und zwar mittels eines üblicherweise sogenannten Kompensationstransformators, der mit einer Anhebung bzw. Absenkung der Netzspannung arbeitet. Die stabilisierte Spannung wird in einem zusätzlichen, segmentierten Transformator geteilt, beispielsweise einem Spartransformator, um eine Reihe von Spannungsstufen zu erhalten, die zum Abgreifen zur Verfügung stehen und mit entsprechender Polarität zum Anhebungs-Absenkungs-Transformator zurückgeführt werden, um die gewünschte Stabilisierung zu erhalten. Diese inkrementalen Korrekturspannungen werden zur Netzspannung addiert oder von dieser subtrahiert, je nach dem Pegel der ankommenden Netzspannung, um die Ausgangsspannung auf den gewünschten Leitungspegel einzustellen. Eine digitale Logikschaltung wird dazu verwendet, eine Diskrepanz zwischen dem Pegel der ankommenden Leitungswechselspannung und dem gewünschten Pegel einer Bezugsleitung in Signale umzuwandeln, die Festkörperschalter betätigen, um die entsprechende Position auf den Wicklungen (manchmal als Abgriffe bezeichnet) auf dem zusätzlichen segmentierten Transformator anzusteuern.

Die inkremental. Korrekturspannung wird gegebenenfalls durch die Polaritätssteuerschaltung an die Sekundärwicklung des Kompensationstransformators angelegt. Die Auswirkung auf die Sekundärwicklung des Anhebungs-Absenkungs-Transformators besteht darin, daß eine ungewünschte Abweichung in der Eingangs-Netzwechselspannung kompensiert wird. Die elektronische Stabilisierung wird vorzugsweise unabhängig an jede Phase der Netzspannung angelegt. Auf diese Weise werden entsprechende

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Korrekturen für jede Phase durchgeführt und es gibt keine Mittelwertbildung der Korrekturen zwischen Phasen, oder keine Korrektur in einer Phase mit nur teilweiser Korrektur der anderen Phase. Die folgende Diskussion in dieser Beschreibung bezieht sich auf die Stabilisierung einer einzelnen Phase. In praktischen Systemen werden drei oder mehr Stabilisatoren nach der Erfindung verwendet, die jeder eine bestimmte Phase stabilisieren. Bei einem solchen Drei-Phasen-System wird notwendigerweise die elektrisch aktive Leitung (Phase) stabilisiert, um eine unabhängige Stabilisierung zu erhalten, während bei einphasiger Wechselspannung entweder die Phase oder der Null-Leiter stabilisiert werden können.

Der Vorwärtsregelungs-Wechselspannungs-Stabilisator nach der Erfindung ist als Blockschaltbild in Figur 1 dargestellt. Eine Wicklung eines Anhebungs-Absenkungs-Transformators 9 (die Sekundärwicklung) verbindet die unstabilisierte ankommende Wechselspannungsleitung mit der stabilisierten Ausgangswechselspannungsleitung. Die andere Wicklung,(die Primärwicklung) ist mit der Polaritätssteuerschaltung verbunden, die im einzelnen in Figur 5 dargestellt ist. Wie noch beschrieben wird, wird eine Korrekturspannung von einer Anpaßspannungsquelle 18 über die Polaritätssteuerschaltung 17 an den Anhebungs-Absenkungs-Transformator 9 geliefert, falls notwendig. Die Amplitude der Anpassungsspannung wird von der Anpaßspannungsquelle 18 geliefert, und das Vorzeichen der Anpassungsspannung, das bestimmt, ob diese additiv oder subtraktiv verwendet wird, wird von der Polaritätssteuerschaltung 17 geliefert. Diese Spannungen werden in geeigneter Weise durch die digitale Steuerschaltung in der Stabilisierungssteuerung 16 eingeschaltet, um eine additive (Anhebungs-) oder subtraktive (Absenkungs-) Spannung an die Wechselspannungsleitung zu liefern. Eine Reihenschaltung aus Vorspannungstransformator 11, Gleichrichterfilter 12 und geregelten Vorspannungsquellen 13 erhält die ankommende unstabilisierte Netzwechselspannung, transformiert diese und richtet sie gleich, und liefert den Strom für alle Elemente.

Der elektronische Vorwärtsregelungs-Stabilisator wird durch Schließen eines Schalters 20 eingeschaltet. Durch das Arbeiten der Anlasser-

schaltung 10 werden die verschiedenen Schaltungen eingeschaltet und für eine kurze Zeitspanne stabilisiert, größenordnungsmäßig eine Sekunde, ehe die Stabilisierung stattfindet. Die ankommende Netzwechselspannung wird mit Gleichrichter 18 gleichgerichtet und einem analogen Skalierer zugeführt. Der analoge Skalierer 14 skaliert die ankommende Netzwechselspannung herab und vergleicht sie mit einem internen Bezug, der den gewünschten Wechselspannungsleitungspegel repräsentiert. Ein analoges Abweichungssignal, das die Differenz zwischen dem tatsächlichen ankommenden Wechselspannungsnetzpegel und dem gewünschten Pegel repräsentiert, wird der Stabilisatorsteuerschaltung 16 zugeführt, die das analoge Abweichungssignal in eine digitale Form umwandelt. Diese digitale Darstellung dient als Befehl für eine Anpaßspannungsquelle 18, um die entsprechende inkremental Spannungsanpassung einzuschalten, mit der die Spannungsdifferenz korrigiert wird. Dieser Befehl wird in einer Ausführungsform periodisch einmal in jeder Periode der Wechselspannung geliefert. Der Zeitpunkt, in der dieser Befehl auftritt, wird von einem A/D-Triggergenerator 15 bestimmt. Ein Strombegrenzer 19 dient dazu, die Festkörperschalter in der Anpaßspannungsquelle 18 gegen Stromüberlastungsbedingungen zu schützen. In der Anpaßspannungsquelle 18 werden Anpaßspannungen dadurch erzeugt, daß selektiv auf einen segment!erten Transformator zugegriffen wird, der mit der stabilisierten Ausgangswechselspannungsleitung verbunden ist.

Die Anlasserschaltung ist im einzelnen in Figur 2 dargestellt. Sie sperrt die Stabilisierungsfunktion des Stabilisators,bis bestimmte Bedingungen erfüllt sind. Danach wird die Stabilisierung durchgeführt, solange Netzwechselspannung vorhanden ist und andere Grenzen, wie überstrom, nicht überschritten werden. Wenn der Schalter 20 nach Figur 1 geschlossen wird, schaltet die Anlasserschaltung 10 die Festkörperschalter in der Polaritätssteuerschaltung 17 ein, wodurch praktisch der Anhebungs-Absenkungs-Transformator 9 für etwa eine Sekunde kurzgeschlossen wird, um eine Stabilisierung der Vorspannungen und des analogen Skalierers 14 und der Stabilisatorsteuerung 16 zu ermöglichen. Für diese vorläufige Zeitspanne erscheint die Eingangs-Netzwechselspannung auch am Ausgang.

Innerhalb der Anlasserschaltung 10 wird, wie in Figur 2 gezeigt, die ankommende Netzwechselspannung in die Vorspannungsvorbereitung 30 eingeführt, die den Betrieb sperrt, bis die Vorspannung einen vorgegebenen, akzeptablen Betriebspegel erreicht. Der Ausgang der Vorspannungsvorbereitung 30 ist über eine Verzögerung 31 mit einer Setz-Schaltung 32 verbunden. In Kombination mit einer Rücksetzschaltung 34 und· einem Schaltschloß (latch) 35 wird eine Setzen-Rücksetzen-Sperrfunktion 29 gebildet, die nur während eines Signals vom Nulldurchgangsdetektor 33 aktiviert werden kann. Das verhindert eine Kommunikation des Vorbereitungsbefehls 28 zur Stabilisatorsteuerung 16, so daß die Festkörperschalter in der Anpaßspannungsquelle 18 nicht aktiviert werden. Der analoge Skalierer 14, der A/D-Triggergenerator 15 und die Schaltung innerhalb der Stabilisatorsteuerung 16 erhalten deshalb anfänglich die Möglichkeit, stabilisiert zu werden. Von dem Moment an, in dem der Schalter 20 eingeschaltet wird, ist der Vorspannungstransformator 11 mit dem Wechselspannungsnetzeingang verbunden, so daß die Logikschaltung im analogen Skalierer 14, im A/D-Triggergenerator 15 und der Stabilisatorsteuerung eingeschaltet wird. Am Ende dieser Verzögerungsperiode wird der obere Eingang der Setzschaltung 32 aktiviert. Wenn dann der nächste Nulldurchgang im Wechselspannungsverlauf vom Nulldurchgangsdetektor 33 detektiert wird, wird der untere Eingang der Setzschaltung 32 aktiviert. Zu diesem Punkt wird das Schaltschloß 35 gesetzt und der Schalter 36 deaktiviert die sich selbst vorspannende Stromsenke 37. Bis dann war der Strom durch die Stromsenke 37 geflossen und zu den Festkörperschaltersteuerungen der Polaritätssteuerschaltung 17, so daß der Anhebungs-Absenkungs-Transformator 9 kurzgeschlossen war. Das erfolgt nur während der Zeitverzögerungsperiode. Die Setz-Rücksetz-Sperrfunktion 29 wird nur zurückgesetzt, wenn die Vorspannung unter einen sicheren Betriebspegel fällt.

Der analoge Skalierer 14 ist näher in Figur 7 dargestellt. Die gleichgerichtete Darstellung der ankommenden Netzwechselspannung wird Vom Gleichrichter 8 genommen. Bei einer Ausführungsform liefert eine Präzisionsreferenz 91 eine Spannung von5,12 V an die Stabilisatorsteuerung

und eine geteilte Spannung von 2,56 V an einen Pufferverstärker 92, der eine Bezugsspannung von 2,56 V an den analogen Komparator 93 liefert. Wenn die ankommende Netzwechselspannung 120 V beträgt, ist der Ausgang des Analogkomparators 93 eine Null-Abweichungs-Spannung von 2,56 V. Wenn die Eingangswechselspannung sich von 120 V unterscheidet, variiert der Ausgang des Analogkomparators entsprechend. Der Ausgang des Komparators 93 dient als ABweichungssignal, um die Anpassung zu diktieren, die die Stabilisatorsteuerschaltung 16 von der Anpaßspannungsquelle 18 auswählen muß. Der Ausgang des Analogkomparators 93 und damit das Signal von der Analogskai leerschaltung 14 an die Stabilisatorsteuerschaltung 16 bewegt sich auf über oder unter 2,56 V, je nachdem ob die Eingangsnetzwechselspannung über oder unter 120 V liegt. Bei einer Ausführungsform beträgt die Variation 160 mV für jede Abweichung der Netzspannung von 1 V. Der kontinuierliche Ausgang des Analogskaiierers wird der Stabilisatorsteuerung 16 zugeführt.

Die Stabilisatorsteuerung 16 ist im einzelnen in Figur 4 dargestellt. Das analoge Abweichungssignal vom Analogskaiierer 14 wird in den A/D-Wandler 54 eingeführt, der das Abweichungssignal in eine digitale Zahl umwandelt. Das Abweichungssignal ist die Ausgangsspannung des Komparators 93 im Analogskaiierer 14 und hat eine variierende Größe, die die Abweichung über oder unter die gewünschte Netzspannung reflektiert. Da die Anpaßspannungen in einzelnen Voltschritten auswählbar sind, wird jeweils für 160 mV Abweichung von diesem gewünschten Pegel auf eine neue Digitaladresse im A/D-Wandler 54 zugegriffen. Eine Hystereseschaltung 53 gewährleistet eine positive Wahl einer neuen Adresse, sobald einmal das Abweichungssignal in das Hystereseband um die präzisen Abweichungssignale eintritt, die einzelnen Voltschritten entsprechen. Wenn also das Abweichungssignal leicht über oder unter einer präzisen Abweichung von 160 mV variiert, wird doch die Digitaladresse, die der erforderlichen Anpassung assoziiert ist, ausgewählt. Diese Schaltung arbeitet in der üblichen Weise von-Schmitt-Trigger-Schaltungen. Wie sich aus Tabelle I ergibt, ist jedem Abweichungssignal eine erforderliche Korrektur zugeordnet. Beispielsweise ist zwischen 2,40 V und 2,72 V keine Korrektur erforderlich, zwischen 3,84 V und 4,0 V wird eine

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subtraktive Korrektur von 8 V gefordert, und zwischen 1,76 V und 1,60 V wird eine additive Korrektur von 5 V gefordert. Diese Korrekturen werden angelegt, sobald einmal das Abweichungssignal das Spannungsband um jedes Abweichungssignal erreicht; dieses Band hat typischerweise eine Breite von 20 mV, mit 10 mV auf jeder Seite des präzisen Abweichungssignals, das einer geraden Korrekturspannung entspricht. Eine bestimmte Anpassung wird angelegt, bis und sofern nicht das Korrektursignal aus dem Hystereseband herausfällt.

Innerhalb der Stabilisatorsteuerung 16, die im Detail in Figur 4 dargestellt ist, erhält der Nulldurchgangsdetektor 50 eine gleichgerichtete, herabskalierte Darstellung der Netzspannung von den Vorspannungsquellen Ein Impulszug A, enthält einen Einzelimpuls für Nulldurchgang, d.h. für Nulldurchgänge sowohl in positiver als auch in negativer Richtung. Der Impulszug A, läuft durch Vorbereitungsgatter 51, das nach Empfang eines Vorbereitungsbefehls auf Leitung 28 von der Anlasserschaltung 10 öffnet; das erfolgt nach der Anlaßverzögerung und nur bei einem Nulldurchgang. Ein Impulszug A₂ wird zu einem D-Flipflop 55 geführt, so daß der digitale Ausgang des A/D-Wandlers 54 nur bei Null durchgängen in PROM-Decodierer und 57 eingespeist wird. Unabhängig wird der Impulszug A^ in Schaltertreiber 58 und 59 eingeführt, so daß die Schaltsignale von den PROM-Decodierern 56 und 57 in jedem Falle nur beim Auftreten von NuI!durchgängen an die Festkörperschalter in der Anpaßspannungsquelle 18 kommuniziert werden. Für jeden Nulldurchgang der Netzwechsel spannung wira also eine digitale Adresse für ein spezifisches PROM über Schaltertreiber 58 und 59 an die Anpaßspannungsschaltung 18 geliefert.

Die Anpaßspannungsquelle 18 ist im einzelnen in Figur 8 dargestellt. Ein Spartransformator 111 hat Segmente 101, 102, 103 mit zugehörigen Abgriffen 96, 97, 98, 99 ... . Die Anzahl der Segmente und deren relative Spannungen bestimmt die Feinfühligkeit der Stabilisierung. Auf jedes Segment wird durch den zugehörigen Abgriff mit einem Festkörperschalter zugegriffen, beispielsweise Triac 93, das durch ein zugehöriges RC-Nezwerk, Brückengleichrichter 89 und Optoisolator 85 geschaltet wird, das seine Befehle von PROM-Decodierern über 58 und 59 erhält. Auf diese

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Weise wird auf einen bestimmten Abgriff, der einem bestimmten Segment des Spartransformators zugeordnet ist, aufgrund eines Befehls von der digitalen Steuerschaltung in der Stabilisatorsteuerung 16 zugegriffen; wenn auf den Abgriff zugegriffen ist, wird die zugehörige Anpaßspannung der Polaritätssteuerschaltung 17 zugeführt und von dort der Primärwicklung des Anhebungs-Absenkungs-Transformators 9. Der Anhebungs-Absenkungs-Transformator 9 hat in einer Ausführungsform ein übersetzungsverhältnis 10 : 1 zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung, die zwischen den unstabilisierten und den stabilisierten Teil der Wechselspannungsleitung geschaltet ist. Für eine Korrektur von 2 V.beträgt also die Anpaßspannung von der Anpaßspannungsquelle 20 V. Die Daten des Anhebungs-Absenkungs-Transformators sowie die Segmentierung des Spartransformators der Anpaßspannungsquelle können so gewählt werden, daß sich eine optimale Stabilisierung ergibt.

Die Polaritätssteuerschaltung 17, die im einzelnen in Figur 5 dargestellt ist, dient dazu, die richtige Polarität den Anpaßspannungen zuzuordnen, die von der Anpaßspannungsquelle 18 geliefert werden. Die Polaritätinformation ist in der digitalen Korrekturinstruktion enthalten, die vom PROM-Decodierer 56 in der Stabilisatorsteuerung 16 erzeugt wird, wie in Spalten 3 und 4 der PROM-Decodierer-Wertetabelle in Tabelle I gezeigt ist. Die Anpaßspannung, die von der Anpaßspannungsquelle 18 geliefert wird, steht an zwei entgegengesetzten Seiten einer Brückenschaltung aus Festkörperschaltern 80, 81, 83, 82. Die Sekundärwicklung des Anhebungs-Absenkungs-Transformators 9 ist an die beiden anderen Seiten der Brücke angeschlossen. Diese Brücke dient dazu, die Anpaßspannung direkt oder in umgekehrter Polarität der Primärwicklung zuzuführen, so daß die Polarität der Anpassung gewährleistet wird. Das Schalten der Festkörperschalter 80, 81, 83, 82 wird durch Optoisolator-yBrückengleichrichter-Paare 72, 73, 71, 74; 77, 78 und 75, 79 entsprechend den Polaritätssignalen von der Stabilisatorsteuerung 16 vorgenommen. Das Schaltschema ergibt sich aus der Wertetabelle in Fig. 6.

Betrieb

Die Betriebsweise des elektronischen Vorwärtsregelungs-Stabilisators nach der Erfindung ergibt sich durch Betrachtung der Stabilisierung,

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die für verschiedene Spannungspegel der ankommenden Netzwechsel spannung erfolgt. Der Bezugswert, auf den die Netzspannung stabilisiert wird, ist der Nenn-Netzpegel von 120 V.

Beispiel 1: 2 V Oberspannung

Das erste beschriebene Beispiel bezieht sich auf die erste Spannungsbedingung, die am unstabilisierten Teil der Wechselspannungsleitung nach dem Starten des Spannungsstabilisators gefühlt wird. Wenn der Schalter 20 geschlossen wird, beträgt die momentane Netzspannung auf dem unstabilisierten Teil der Wechselspannungsleitung 122 V. Dies wird in der Anlasserschaltung 10 und im Vorspannungstransformator 11 festgestellt. Wie bereits beschrieben, wird die Stromsenke in der Anlasserschaltung 10 aktiviert, um die Festkörperschalter in der Polaritätssteuerschaltung zu aktivieren, so daß der Anhebungs-Absenkungs-Transformator 9 kurzgeschlossen wird, bis die Steuerschaltungen sich stabilisiert haben.

Der analoge Skalierer 14 erhält eine herabskalierte, gleichgerichtete Darstellung der unstabilisierten Netzspannung von 122 V. Die herabskalierte Darstellung der Netzspannung von 122 V wird im Komparator mit dem internen Bezug von der Präzisionsreferenz 91 verglichen. Wie oben beschrieben, ist der Ausgang des Komparators 93 und damit der Ausgang des analogen Skalierers 14 auf 2,56 V eingestellt, wenn der Eingang 120 V auf der unstabilisierten Eingangs-Netzwechselspannungsleitung darstellt. Jede Abweichung von 1 V vom gewünschten Zustand von 120 V liefert eine Variation von 160 mV. In diesem Falle beträgt also die Ausgangsspannung 2,88 V, oder 2:,56 V plus 2 χ 0,160 V. Vergleiche Tabelle I. Dieser Ausgang wird vom Analogskalierer 14 der Stabilisatorsteuerung 16 dargeboten.

Innerhalb der Stabilisatorsteuerung 16 erhält der A/D-Wandler 54 das analoge Abweichungssignal, wie in Figur 4 dargestellt. Entsprechend der Hystereseanalyse in Schaltung 53 wird eine digitale Korrekturinstruktion generiert. Gemäß Tabelle I entspricht eine Spannung von 2,88 V einer digitalen Korrekturinstruktion von OHIO im A/D-Wandler 54. Diese

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Korrekturinstruktion wird zum D-Flipflop 55 übertragen. Dieser Flipflop dient als Speicher, um die vorangegangene Information beizubehalten, bis ein Taktsignal A2 über Vorbereitungsgatter 51 vom Nulldurchgangsdetektor 50 kommt. Beim nächstfolgenden Nulldurchgang wird die binäre Korrekturinstruktion OHIO an die PROM-Decodierer 56 und 57 gelegt. Aus Tabelle I ist wieder erkennbar, daß die binäre Korrekturinstruktion OHIO in den acht Ausgangsleitungen vom PROM-Decodi erer 56 den Zustand 00100100 hervorruft. Die Bedeutung dieses Zustandes ist, daß eine subtraktive Korrektur von 2 V in der Sekundärwicklung des Transformators 19 erforderlich ist. Das wird in einen Befehl zum Schaltertreiber 59 übersetzt und dann an das entsprechende Segment des Spartransformators 111 in der Anpaßspannungsquelle 18. Der Ausgang des PROM-Decodierers wird auch der Polaritätssteuerschaltung 17 zugeführt, um eine subtraktive Korrektur zu erhalten. In diesem Falle wird das Triac 94 eingeschaltet, so daß ein 20 V-Korrektursignal an Leitung 105 gelegt wird und dann an die Polaritätssteuerschaltung 17. Das 20 V-Korrektursignal wird in der Polaritätssteuerschaltung 17 negativ gemacht und an die Primärwicklung des Transformators 9 als 2 V-Korrektur angelegt, da der Transformator 9 ein 10 : 1 Transformator ist. Dadurch wird die unstabilisierte ankommende Netzwechsel spannung von 122 V auf eine stabilisierte Netzwechselspannung von 120 V herabgesetzt. Diese Anpassung der stabilisierten Ausgangswechsel spannung wird bis zum nächsten Nulldurchgang der unstabilisierten Eingangsnetzwechselspannung gehalten, oder bis eine andere Korrektur von der Stabilisatorsteuerschaltung gefordert wird.

Beispiel 2: 3 V Unterspannung

Dieses zweite Beispiel wird in der Weise beschrieben, daß es nach dem Starten auftritt und als einzelner Schritt einer Stabilisierung in einem Kontinuum von Stabilisierungschritten. Der analoge Skalierer 14 erhält die herabskalierte, gleichgerichtete, unstabilisierte Netzspannung von 117 V. Diese herabskalierte Darstellung der Netzspannung von 117 V wird im Komparator 93 mit dem internen Bezug von der Präzisionsreferenz 91 verglichen. Da der Komparator 93 2,56 V zeigt, wenn die gewünschte Netzspannung erhalten wird, und eine Abweichung von 160 mV für jede Unterspannung oder überspannung, ergibt sich ein

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Herabschreiten von 3 χ 0,160 V für die Unterspannung von 3 V. Der Stabilisatorsteuerung 16 wird damit eine Spannung von 2,08 V dargeboten.

Die vom Analogskalierer 14 gelieferte Spannung von 2,08 V wird vom A/D-Wandler 54 in der Stabilisatorsteuerung 16 gefühlt und es wird die digitale Korrekturinstruktion 10011 erzeugt. Diese Instruktion wird über D-Flipflop 55 an die PROM-Decodierer 56 und 57 kommuniziert. Die Leitung 13 vom PROM-Decodierer 56 wird adressiert, so daß auf den acht Ausgangsleitungen der Zustand 00100010 hervorgerufen wird. Diese Korrekturinstruktion treibt Schaltertreiber 59, der die entsprechenden Festkörperschalter in der Anpaßspannungsquelle 18 einschaltet. Für die Polaritätssteuerschaltung 17 bedeutet das, daß eine additive Korrektur durchgeführt werden muß. Wie in Figur 8 dargestellt ist, wird Triac 95 eingeschaltet, so daß ein Signal von 30 V auf Leitung 105 übertragen wird und dann zur Polaritätssteuerschaltung 17. Dann wird schließlich eine Korrekturspannung von + 3 V an die Primärwicklung des Anhebungs-Absenkungs-Transformators 9 angelegt. Die Polaritatssteuerschaltung 17 liefert das positive Vorzeichen für die Spannung, so daß eine additive Einstellung erfolgt.

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Claims

Vorwärtsregelungs-Wechselspannungs-Stabilisator

Priorität: 12. April 1982 - USA - Serial No. 367 646

Patentansprüche

( !./Elektronischer Vorwärtsregelungs-Stabilisator zum Stabilisieren der Spannung auf einer Wechselspannungsnetz-Leitung, gekennzeichnet durch

- einen Anhebungs-Absenkungs-Transformator, von dem eine Wicklung in die Wechselspannungsleitung zwischen den unstabilisierten Teil und den stabilisierten Teil dieser Leitung eingesetzt ist;

- eine Analogschaltung, die elektrisch mit dem unstabilisierten Teil der Wechselspannungsleitung verbunden ist und Schaltungseinrichtungen enthält, mit denen eine interne Bezugsspannung erzeugt wird, die den gewünschten Spannungspegel für die Wechselspannungsleitung repräsentiert, und die Schaltungseinrichtungen enthält, die den in dem unstabilisierten Teil der Wechselspannungsleitung gefühlten Spannungspegel mit der internen Bezugsspannung vergleichen und ein Abweichungssignal erzeugen,das die Diskrepanz zwischen der internen Bezugsspannung und der im unstabilisierten Teil der Wechselspannungsleitung gefühlten Spannung repräsentiert;

- eine digitale Steuerschaltung, die elektrisch mit der Analogschaltung verbunden ist, um das analoge Abweichungssignal zu erhalten und aufgrund

dessen eine digitale Instruktion zu erzeugen, die einer bestimmten inkrementalen Korrekturspannung entspricht, die dazu erforderlich ist, die Spannung der Wechselspannungsleitung auf den gewünschten Spannungspegel einzustellen;

- einen segmentierten Transformator mit mehreren darauf vorgesehenen Abgriffen, von dem eine Wicklung elektrisch mit dem stabilisierten Teil der Wechselspannungsleitung verbunden ist;

- eine Anordnung von Festkörperschaltern, von denen jeder zwischen einen bestimmten der Abgriffe des segmentierten Transformators und die digitale Steuerschaltung geschaltet ist, wobei die Schalter selektiv von der digitalen Instruktion betätigt werden, um eine bestimmte inkremental Korrekturspannung vom segmentierten Transformator verfügbar zu machen; und

- eine Polaritätssteuerschaltung, die elektrisch zwischen die Anordnung aus Festkörperschaltern und die andere Wicklung des Anhebungs-Absenkungs-Tra ns forma to rs geschaltet ist, um die spezielle inkremental Korrekturspannung von der Anordnung zu erhalten und sie der anderen Wicklung mit der erforderlichen Polarität zur Erzielung der Stabilisierung zuzuführen.
2. Stabilisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der segment!erte Transformator aus einem segmentierten Spartransformator besteht.
3. Stabilisator nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Triggergenerator, der elektrisch zwischen die unstabilisierte Wechselspannungsleitung und die digitale Steuerschaltung geschaltet ist, so daß die digitale Steuerschaltung periodisch betätigt wird.
4. Stabilisator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsperiode der digitalen Steuerschaltung eine Funktion der Periode des unstabilisierten Teils der Netzwechsel spannung ist.
5. Stabilisator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsperiode einmal pro Zyklus der Netzwechsel spannung ist.
6. Stabilisator nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, • daß die Analogschaltung eine Gleichrichtereinrichtung enthält, die elektrisch zwischen die unstabilisierte Wechselspannungsleitung und

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eine analoge Skalierereinrichtung geschaltet ist, die mit der Gleichrichtungseinrichtung verbunden ist, um eine gleichgerichtete Darstellung des Spannungspegels der unstabilisierten Wechselspannung von der Gleichrichterei nrichtung mit einer intern erzeugten Bezugsspannung zu vergleichen.
7. Stabilisator nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anhebungs-Absenkungs-Trans forma tor ein übertragerverhä'ltnis 10 : 1 zwischen der anderen (Primär-) Wicklung und der erstgenannten (Sekundär-) Wicklung aufweist.
8. Stabilisator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente des Spartransformators aus gleichen Teilen der Wicklung des Spartransformators bestehen.
9. Stabilisator nach einem der Ansprüche 3 bis 8, gekennzeichnet durch eine Strombegrenzereinrichtung, die elektrisch mit dem Wechselspannungsnetz und der Anordnung aus Festkörperschaltern verbunden ist, so daß die periodische Betätigung der digitalen Steuerschaltung und die Betätigung der Festkörperschalter außer Kraft gesetzt wird, wenn ein überstromzustand festgestellt wird.
10. Stabilisator nach einem der Ansprüche 3 bis 9, gekennzeichnet durch eine Anlasserschaltung, die elektrisch mit dem unstabilisierten Teil der Wechsel Spannungsleitung und der digitalen Steuerschaltung verbunden ist, um eine Betätigung der Anordnung aus Festkörperschaltern für eine endliche Stabilisierungsperiode vor Beginn der Stabilisierung zu verhindern.
11. Stabilisator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung aus Festkörperschaltern aus einer Anordnung von Triacs besteht.
12. Stabilisator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Triacs einzeln durch einen Brückengleichrichter und einen Optoisolator mit der digitalen Steuerschaltung verbunden sind.