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Schaltungsanordnung für Gleichstromumrichter, insbesondere
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für Gleichstromumrichter in Schaltnetzgeräten Die Erfindung betrifft
eine Schaltungsanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschriebenen
Art.
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Gleichstromumrichter der betrachteten Gattung werden im allgemeinen
am Wechselstromnetz betrieben und von der gleichgerichteten Netzspannung gespeist.
Sie enthalten einen im allgemeinen als Halbleiterbauelement ausgebildeten Leistungsschalter,
der periodisch mit einer vorzugsweise konstanten und vergleichsweise hohen Frequenz
ein-und ausschaltbar ist und elektrische Leistung aus dem Eingangskreis des Umrichters
in einen Ausgangskreis überträgt, wobei das Ubertragungsmaß eine Funktion des als
Tastgrad bezeichneten Verhältnisses zwischen periodischer Einschaltdauer des Leistungsschalters
und Gesamtperiodendauer ist.
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Der Tastgrad ist durch Regelung in einem Regelkreis derart beeinflußbar,
daß die in dem Ausgangskreis erzeugte Spannung innerhalb eines vorgegebenen Regelbereiches
unabhängig von der Belastung des Ausgangskreises und unabhängig von der Eingangsspannung
konstant gehalten wird, sofern letztere nicht unter eine für die Aufrechterhaltung
der Regelung erforderliche Mindestspannung absinkt. Um dies bei Schaltnetzgeräten
zu verhindern sind im Eingangskreis des Umrichters Energiespeicher wirksam, die
(z.B. durch die Gleichrichtung einer Netzwechselspannung auftretende) periodische
und/oder (z.B. durch kurzzeitige Netzunterbrechungen auftretende) sporadische Spannungsverringerungen
überbrücken.
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Als Energiespeicher dienen im allgemeinen sogenannte Glättungskondensatoren,
die
dem Eingang des Gleichstromumrichters parallel geschaltet sind. Diese Glättungskondensatoren
werden von der im allgemeinen durch Gleichrichtung einer Wechselspannung erzeugten
speisenden Spannung periodisch aufgeladen. Ihre Kapazität muß so groß sein, daß
sie die periodischen Spannungsverringerungen der (gleichgerichteten) Speisespannung
überbrücken können, derart daß die am Eingang des Gleichstromumrichters wirksame
Spannung nicht unter den Mindestwert sinkt, bei dem die erwähnte Regelung noch möglich
ist. Falls neben diesen periodischen Spannungsverringerungen auch sporadische (z.B.
durch kurzzeitige Ausfälle der Speisespannung) verursachte Spannungsverringerungen
überbrückt werden sollen, muß die Kapazität der Glättungskondensatoren entsprechend
größer gewählt werden. Die Spannungsfestigkeit der Kondensatoren muß dem maximal
auftretenden Scheitelwert der speisenden Spannung Rechnung tragen, der um den Faktor
g größer ist ihr Effektivwert.
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Außer dem Aufwand, den Glättungskondensatoren hoher Kapazität und
hoher Spannungsfestigkeit darstellen, hat ihre Verwendung bei Schaltnetzgeräten
den Nachteil, daß sie einen nicht unbeträchtlichen Stromklirrfaktor verursachen,
dessen Rückwirkung auf das speisende Netz unerwünscht ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu schaffen
und eine Schaltungsanordnung der im Gattungsbegriff des Patentanspruches 1 beschriebenen
Art so auszubilden, daß der im Eingangskreis des Gleichstromumrichters wirksame
Energiespeicher den Glättungskondensator üblicher Art ersetzt, daß die Anforderungen
an seine Spannungsfestigkeit herabgesetzt sind und daß der durch die Rückwirkung
auf das speisende Netz verursachte Stromklirrfaktor vernachlässigbar klein oder
zumindest spürbar verringert ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den
malen
des Patentanspruches 1 gelöst.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist der von einem
Ausgang des Gleichstromumrichters aufladbare Speicher ein Kondensator und/oder eine
zu diesem parallel geschaltete aufladbare Batterie, dessen bzw. deren Entladestromkreis
dem Eingang des Gleichstromumrichters parallel geschaltet ist. Damit entspricht
die Wirkung des Energiespeichers derjenigen der eingangs beschriebenen Glättungskondensatoren,
ohne daß deren Nachteile in Kauf genommen werden müssen.
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Da der im Eingangskreis des Umrichters wirksame Energiespeicher nicht
unmittelbar von der Speisequelle sondern von einem Ausgang des Umrichters selbst,
also mit einer mehr oder weniger konstanten Spannung aufgeladen wird, ist die an
ihm auftretende maximale Ladespannung zumindest um den Faktor 5 geringer als bei
einem Glättungskondensator herkömmlicher Art. Während dieser nämlich für den Scheitelwert
der höchstmöglichen (Netz-) Spannung ausgelegt sein muß, kann der Energiespeicher
bei der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung für eine Spannung dimensioniert
sein, die gleich oder doch nur wenig größer ist als die Mindesteingangsspannung,
bei der der Umrichter noch im geregelten Betrieb arbeiten kann.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der Speicher
ein Kondensator und/oder eine aufladbare Batterie, die mit dem Eingang des Gleichstromumrichters
in Reihe geschaltet ist, derart daß die zwischen seinen Anschlußklemmen herrschende
Spannung sich der Spannung der Speisequelle additiv überlagert.
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Bei dieser Anordnung erfährt der Gleichstromumrichter eine Kennlinientransformation
dergestalt, daß die den Zusammenhang zwischen dem Quotienten von Ausgangsspannung
und Ein-
gangsspannung und dem Tastgrad wiedergebende Kennlinie
umso steiler verläuft, je größer das Spannungsübersetzungsverhältnis zwischen dem
Eingang des Gleichstromumrichters und dem den Aufladestromkreis des Speichers speisenden
Ausgang ist.
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Die hohen Ladestromspitzen, die bei mit Glättungskondensatoren ausgestatteten
Schaltnetzteilen herkömmlicher Art auftreten, entfallen bei der Schaltungsanordnung
gemäß der Erfindung. Damit verringert sich der Stromklirrfaktor entsprechend.
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Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert:
Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Schaltnetzgerätes als Ausführungsbeispiel
der Erfindung, Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Eingangsspannung an dem Gleichstromumrichter
des Netzgerätes von Fig. 1, Fig. 3 zeigt Umrichtkennlinien des Schaltnetzgerätes
von Fig.l, wobei der Gleichstromumrichter von einem Durchflußwandler bzw. von einem
Sperrwandler gebildet ist, Fig. 4 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines
weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung, Fig. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf
der Eingangsspannung an dem Gleichstromumrichter des Gerätes gemäß Fig. 4, Fig.
6 zeigt Umrichtkennlinien des Gerätes gemäß Fig. 4, wobei der Gleichstromumrichter
von einem Durchflußwandler bzw. von einem Sperrwandler gebildet ist.
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Das in Fig. 1 dargestellte Schaltnetzteil besteht aus einem an ein
Ein-oder Mehrphasennetz angeschlossenen Gleichrichter G und einem diesem nachgeschalteten
Gleichstromumrichter
Um, der beispielsweise als Durchflußwandler
oder als Sperrwandler ausgebildet ist. Der Gleichstromumrichter Um besitzt zwei
Ausgänge, die mit 3-4 bzw. 5-6 bezeichnet sind, deren Spannungen Uh bzw. Ua mSt
Hilfe einer in dem Gleichstromumrichter Um enthaltenen, nicht näher dargestellten
Regeleinrichtung auf einem konstanten Wert gehalten werden.
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Diese Regeleinrichtung beeinflußt einen in dem Gleichstromumrichter
Um enthaltenen Leistungsschalter, der mit einer vergleichsweise sehr hohen Frequenz
periodisch ein- und ausgeschaltet wird. Die vom Eingang 1-2 zu dem Ausgang 5-6 übertragene
Energie und damit die Ausgangsspannung Ua sind eine Funktion des Tastgrades. Die
Abhängigkeit des Verhältnisses Ausgangsspannung/Eingangsspannung des Gleichstromumrichters
Um von dem mit d bezeichneten Tastgrad ist in Fig.
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3 für einen nach dem Durchflußprinzip bzw. für einen nach dem Sperrprinzip
arbeitenden Gleichstromumrichter dargestellt. Man erkennt, daß das genannte Spannungsverhältnis
umso größer ist, je größer die relative Einschaltdauer des Leistungsschalters ist.
Der Arbeitsbereich, in dem Regelung stattfindet, ist in Fig. 3 mit a bezeichnet,
der "Stützbereich", in welchem der unten beschriebene Kondensator Csp wirksam ist,
mit s.
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Die angestrebte Regelung der Ausgangsspannung Ua setzt daher voraus,
daß die an dem Eingang 1-2 des Umrichters Um anliegende Spannung Uemin nicht unterschreitet.
Diese Mindestspannung Uemin ist diejenige Eingangsspannung, die beim maximalen Tastgrad
(d = 0,5) am Ausgang 5-6 gerade noch die Ausgangsspannung Ua ergibt.
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Die Spannung am Ausgang des Gleichrichters G hat - ohne Glättungskondensator
- den in Fig. 2 in Form sinusförmiger Halbwellen dargestellten Verlauf. In Fig.
2 ist auch die oben erwähnte Regelgrenze Uemin eingetragen. Man erkennt, daß die
gleichgerichtete Wechselspannung diese Regelgrenze periodisch unterschreitet (gestrichelt
gezeichneter Teil
der Halbwellen) daher dafür Sorge getragen werden,
daß die periodischen Spannungsunterschreitungen überbrückt werden.
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Hierzu dienen beim Stand der Technik sogenannte Sieb- oder Glättungskondensatoren,
die von der (gleichgerichteten) Netzspannung periodisch aufgeladen werden und die
ihre Ladung an den Eingang des Gleichstromumrichters Um abgeben, wenn der Augenblickswert
der Netzspannung unter die Spannung am Kondensator sinkt. Die genannten Kondensatoren
müssen aus den in der Beschreibungseinleitung dargelegten Gründen eine hohe Kapazität
und eine hohe Spannungsfestigkeit besitzen. Damit sind solche Kondensatoren teuer
und benötigen einen großen Raumbedarf. Ein weiterer Nachteil besteht darin,daß sie
durch die periodische kapazitive Belastung des speisenden Netzes einen hohen Stromklirrfaktor
verursachen.
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Anstelle eines Glättungskondensators, der unmittelbar von dem speisenden
Netz aufgeladen werden muß, ist zur Uberbrückung der beschriebenen Spannungseinbrüche
erfindungsgemäß ein Energiespeicher vorgesehen, der von einem Ausgang des Gleichstromumrichters
Um aufgeladen wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um den
Speicherkondensator Csp, der dem Ausgang 3-4 parallelgeschaltet ist. Ein Anschluß
dieses Speicherkondensators Csp ist über eine Entkopplungsdiode D mit der Eingangsklemme
1 des Gleichstromumrichters Um verbunden. Der andere Anschluß steht unmittelbar
mit dem Eingangsanschluß 2 in Verbindung.
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Diese Anordnung hat den Vorteil, daß der Energiespeicher (Speicherkondensator
Csp) wesentlich geringere Spannungsfestigkeit besitzen kann als der Glättungskondensator
bei herkömmlichen Schaltungen. Die maximale Ladespannung, d.h.
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die Hilfsspannung UH am Ausgang 3-4 des Gleichstromumrichters Um braucht
grundsätzlich nur wenig größer zu sein als die der Regelgrenze entsprechende Eingangsspannung
Uemin bei der das Schaltnetzgerät noch einwandfrei arbeiten soll.
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Der zeitliche Verlauf der Spannung am Speicherkondensator
Csp
ist in Fig. 2 angedeutet. Ein weiterer Vorteil der Anordnung gemäß der Erfindung
besteht darin, daß die kapazitive Belastung des speisenden Netzes und damit der
Stromklirrfaktor erheblich verringert werden.
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Der dem Eingang 1-2 des Gleichstromumrichters Um parallelgeschaltete
Eingangskondensator Ce ist erforderlich, um die durch die periodische Einschaltung
des Leistungsschalters auftretenden Pulsströme zu decken. Seine Kapazität ist im
Vergleich zum üblicherweise erforderlichen Glättungskondensator zur Überbrückung
der Spannungsverringerungen oder -einbrüche sehr klein, so daß er die durch die
erfindungsgemäße Anordnung erzielbaren Vorteile nicht beeinträchtigt.
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Anstelle des Speicherkondensators Csp oder zusätzlich zu ihm kann
auch eine wiederaufladbare Batterie als Energiespeicher verwendet werden. Dies hat
den Vorteil, daß auch länger dauernde Spannungseinbrüche oder -unterbrechungen überbrückt
werden können. Damit lassen sich auch Schaltnetzgeräte herstellen, die mehrere konstante
Ausgangsspannungen liefern und mit nur einer wiederaufladbaren Batterie unterbrechungsfrei
am Netz betrieben werden können.
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Der Aufladestromkreis für den mit dem Ausgang 3-4 verbundenen Energiespeicher
kann mit einer individuellen Strombegrenzungsschaltung ausgerüstet sein, um Rückwirkungen
der Ladestromstöße auf die Ausgangsspannung Ua zu vermeiden.
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Obwohl das dargestellte Ausführungsbeispiel als Speisequelle ein Einphasen-Wechselstromnetz
vorsieht, ist die Erfindung selbstverständlich nicht hierauf beschränkt. Sie ist
vielmehr auch anwendbar für Schaltnetzgeräte, die von einer gleichgerichteten Mehrphasen-Wechselspannung
gespeist werden oder für an einem Gleichstromnetz gespeiste Gleichstromumrichter.
Im letzteren Fall sind im Eingangskreis Entkopplungsmittel, z.B. eine Entkopplungsdiode,
vorzuse-
hen, die ein Zurückfließen der Energie des Speichers zur
Speisequelle verhindern.
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Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche
oder gleichwirkende Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen wie bei dem
Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 und werden im folgenden nicht näher erläutert.
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Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist bei der in
Fig. 4 dargestellten Schaltung der wieder als Kondensator Csp ausgebildete Speicher
nicht parallel zum Eingang des Gleichstromumrichters Um sondern in Reihe zu diesem
wirksam. Damit überlagert sich die Spannung UH der von dem Gleichrichter G abgegebenen
Spannung Ug. Die am Eingang des Gleichstromumrichters Um wirksam werdende resultierende
Gesamtspannung ist in Fig. 5 dargestellt. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist
die Spannung UH wieder etwas größer gewählt als die für die Aufrechterhaltung der
Regelung am Eingang des Umrichters Um erforderliche Mindestspannung Uemin.
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Wenn das Verhältnis der vom Gleichstromumrichter Um abgegebenen Ausgangsspannungen
UH/Ua mit K bezeichnet wird, läßt sich die Umrichtkennlinie der in Fig. 4 dargestellten
Schaltung für einen Durchflußumrichter durch folgende Gleichung beschreiben:
worin 9 der Wirkungsgrad des Gleichstromumrichters ist.
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Für einen Sperrwandler ergibt sich
Diese Gleichungen sind in Fig. 6 graphisch dargestellt. Man
erkennt,
daß der Verlauf der gezeigten Kennlinien umso steiler wird, je größer der Wert K
ist.
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Auch bei der Schaltung nach Fig. 4 kann eine Strombegrenzung im Aufladestromkreis
des Speichers Csp vorgesehen sein.
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Es ist vorteilhaft, den Aufladestromkreis des Speichers mit einem
Schalter zu versehen, durch den die Aufladung unterbrochen wird, wenn der Gleichstromumrichter
ausschließlich aus der Energie des Speichers gespeist wird.
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Damit werden unnötige Umwandlungsverluste vermieden. Dies gilt sowohl
für die Schaltung gemäß Fig. 1 als auch für die in Fig. 4 dargestellte Schaltung.
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7 Patentansprüche 6 Figuren