DE3438921A1 - Getaktete stromversorgung - Google Patents

Description

.if 3438S21

Gesellschaft für Schwerionen forschung mbH, Darmstadt . ANR 1078259

Darmstadt, denl8.Okt.1984 PLA 8459 Ku/he

Getaktete Stromversorgung

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Beschreibung:

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

In bestimmten Anwendungsbereichen, z.B. zur Speisung von Magneten eines Teilchenbeschleunigers mit trapezförmig ver- , laufenden Wechselströmen sind Hochstromnetzgeräte erforderlich deren Netzstrom einem vorbestimmten Verlauf einer Führungsgröße folgen kann.

Bekannt sind Stromnetzgeräte nach Fig. 1 mit Transistoren in Brückenschaltung 1, 2, 3, 4 die mit der maximalen Frequenz von ca. 50 Hz der Trapezstromkurvenform geschaltet werden, denen für die Regelung der Konstantstromabschnitte in Reihe ein weiteres Transistorstellglied als Längsregler 6 vorgeschaltet ist.

Während der Konstantstromabschnitte bleiben je nach Polarität die jeweils benötigten Transistorpaare 1 und 4 oder 3 und durchges ehaltet.

Die Nachteile der bekannten Stromversorgung bestehen insbesondere darin, daß der Längsregler 6 für den vollen Laststrom 69 ausgelegt sein muß und die Wärme dieser" hohen Verlustleistung mit einem beträchtlichen Aufwand abgeführt werden muß. Hinzu kommt die Verlustleistung der zwei dem Längsregler in Reihe geschalteten Stellglieder 1 und 4 bzw. 2 und 3. Bedingt durch die verschiedenen Aufgaben der Stellglieder 1, 2, 3, 4 und des Längsreglers 6 ist eine aufwendige Regelelektronik nötig. Für kurzschlußfeste Geräte ist ein Schutzkonzept für den Längsregler 6 erforderlich. Noch aufwendiger ist die Schaltung, wenn der Laststrom 69

auch während .der Stromrampen geregelt wird, weil die Verlustleistung des Längsreglers 6 noch größer wird.

Ebenfalls bekannt sind Taktregler, die allerdings mit einer festen Taktfrequenz und variabler Pulsbreite arbeiten oder bei fester Frequenz und fester Impulsbreite lediglich nach Lastbedarf freigegeben werden.

Der Erfindung lieat die Aufaabe zugrunde, eine Stromversorcruna für Maqnete eines Teilchenbeschleunigers zu entwickeln deren Regelgröße des Stromes einer Führunasaröße beliebiger Kurvenform bis 2 kHz innerhalb eines Toleranzbandes von ICf" des Nennstromes folgt. Da für diesen Teilchenbeschleuniger .50 ""Stromversorgungen benötigt werden, sollte der Aufwand und besonders die Verlustleistung der Geräte reduziert werden. Der Nennstrom soll ca. 500 A betragen.

Diese Aufgabe wird mit einer Stromversorgung nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bis 4 durch die in deren Kennzeichen genannten Merkmale gelöst.

Die mit der vorgeschlagenen Stromversorgung (Fig. 2) erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die erfindungsgemäße Modifikation eines adaptiven diskontinnuierlichen Takt-Reglers (Fig. 3) und dessen ermöglichten Einsatz in Verbindung mit der Brückenschaltung (Fig. 2) der Stellglieder 1, 2, 3, 4 auf den Längsregler 6 (Fig. 1) verzichtet werden kann, daß die getaktete Netzgeräte auszeichnende geringe Verlustleistung erreicht wird, und daß für die bipolare Ausführung der Stromversorgung nur eine Reglereinheit (Fig. 3) für alle Stellglieder notwendig ist.

Als weiteren Vorteil ist-die flexible Auswahl der elektronischen Schalter für die Stellglieder 1, 2, 3, 4, 5 zu werten. Z.B. kann man bei einem Einsatz von schnelleren VMOS-Transistoren als Stellglieder eine höhere Grenzfrequenz der Führungsgröße 20 zulassen oder das Toleranzband ~ des Netzstromes 69 verbessern.

Eine mögliche Ausführungsform und die Wirkungsweise der Stellglieder wird anhand der Figur 2 dargestellt.

Als Stellglieder sind hier Transistoren 1, 2, 3 und 4 in einer Brückenschaltung angeordnet deren Ermitter-Kollektor-Strecken jeweils mit einer Leerlaufdiode 7, 8, 9 und 10 überbrückt sind.

Zur Verbesserung der Flankensteilheit des Laststromes 69 kann die Schaltung um ein weiteres Stellglied 5 mit zugehöriger Stromversorgung 26 mit einer Drossel 76, Ladekapazität 14 und den Dioden 11, 12 erweitert werden.

Jedem Stellglied 1, 2, 3, 4, 5 ist eine Ansteuer-und Über- wachungseinheit 21, 22, 23, 24, 25 (Entsättigungs-Überwachung) und eine Bedämpfungsschaltung 27, 28, 29, 30,89 angeordnet .

Bei einer trapezförmigen Kurvenform der Führungsgröße 2O würden die Stellglieder 1, 2, 3, 4 (in diesem Beispiel ohne 5) wie folgt geschaltet:

Bei ansteigendem positiven Strom ist der Transistor 1 leitend und der Transistor 4 getaktet und 2 und 3 gesperrt. Sobald der Maximalwert erreicht ist, wird der Transistor 4 gesperrt und der Freilauf des Spulenstromes 69 erfolgt über Transistor

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1 und die Diode 9, wobei der Gleichstrom durch das Takten von Transistor 4 konstant gehalten wird. Bei fallendem positivem Strom sind Transistoren 1 und 4 gesperrt und die Spule 17 entmagnetisiert sich über die Dioden 8 und 9 in den Kondensator 13, wobei der Entladestrom 69 vom Transistor 1 durch Takten kontrolliert wird. Irrupositiven Kurvenbereich sind wie eben beschrieben die Transistoren 2 und 3 gesperrt und passiv während die Transistoren 1 und 4 aktiv den Stromverlauf 69 beeinflussen. Im negativen Kurvenbereich sind die Funktionen der Transistorpaare vertauscht wobei die Transistoren 1 und 4 gesperrt und passiv sind während die Transistoren 2 und 3 den Stromverlauf beeinflussen.

Die vom Verlauf der Führungsgröße 20 und der Last abhängigen Taktsequenzen der einzelnen Stellglieder 1, 2, 3, 4 werden in einem modifizierten adaptiven diskontinuierlichen Regler (Fig.3) generiert.

Das besondere an dem neuen Regler ist, daß sowohl der Pulsabstand als auch die Pulsbreite der Taktimpulse variabel sind. Lediglich eine Sicherheitsschaltung begrenzt die maximale Taktfrequenz,die sich nach den Schaltzeiten der verwendeten Stellglieder 1, 2, 3, 4, 5 richtet.

Mit einem Steilheitsbegrenzer 31 wird die obere Grenzfrequenz der Führungsgröße 20 auf die vom Leistungsteil (Fig. 2) des Gerätes zulässigen Maximalwerte begrenzt, die bestimmt sind durch die Wahl der Stellglieder 1, 2, 3, 4, 5, der Größe der Spannungen an den Kondensatoren 13, 14 und der Lastimpedanz 17, 18. Die Führungsgröße 20 am Ausgang des Steilheitsbegrenzers 31 wird auf bekannte Weise in einer Vergleichsstelle 15 mit der Regelgröße 19 verglichen und die Regel-

abweichung 78 in einem Regelverstärker 32 verstärkt, dessen Ausgang auf den Eingang 80 eines elektronischen Polaritätsschalters 33 geschaltet ist. Der Polaritätsschalter 33 bewertet die Polarität der Regelabweichung 78 abhängig von der Polarität des Laststromes 69. Dadurch braucht man die Schal-"tungseinheit des Analog-Puls-Umsetzers 68 und der Speicher 79 für die bipolare Ausführung des Gerätes nur ein mal.

Zwischen dem Ausgang 81 des Steilheitsbegrenzers 31 und dem Steuereingang 82 des Polaritätsschalters 33 ist ein_ durch das Signal am Ausgang eines Nulldetektors 41 steuerbarer' Polaritätsdetektor 42 geschaltet, der eine Sprungfunk-'tion bei Polaritätswechsel der Führungsgröße 20 solange verzögert bis der Nulldurchgang der Regelgröße 19 als Spannungssprung am Ausgang 83 des Nulldetektors 41 ansteht. Damit wird ein durch den Polaritätsschalter 33 vorzeitiges Umschalten der Polarität des Laststromes 69 verhindert.

Der Ausgang des Polaritätsschalters 33 mit der bewerteten verstärkten Regelabweichung 80 ist auf den Eingang eines Analog-Puls-Umsetzers 68 geschaltet, in dem die verstärkte Regelabweichung 80 mit vorbestimmten Referenzspannungen 64, 65, 66, 67 von vier Komparatoren 34, 35, 36, 37 verglichen wird. Die Wahl der Referenzspannungen 64, 65, 66, 67 bestimmt zusammen mit der Verstärkung des Regelverstärkers 32 die Regelgenauigkeit (Toleranzband). Die Anzahl der Komparatoren 34, 35, 36, 37 des Analog-Puls-Umsetzers 68 entspricht der Anzahl der gewünschten Schaltzustände im Leistungsteil, wie anhand der Fig..2 beschrieben:

Der erste Komparator 34: Gegenspannung nur über Freilaufdiode z.B. 8 und 9 bei gesperrten "Transistoren, zweiter Komparator 35: Freilauf über einen Transistor und eine Freilaufdiode z.B. 1 und 9,

dritter Komparator 36: Normalbetreiben über die Transistoren 1 und 4 oder 3 und 2,

vierter Komparator 37: Schnelltreiben über den zusätzlichen Transistor 5.

Die Referenzspannungen 64 und 65 sind positiv, die Referenz- Spannungen 66 und 67 sind negativ vorgegeben, wobei die Beträge der Referenzspannungen 64 und 67 bzw. 65 und 66 gleich groß ' sind und die Beträge der Referenzspannungen 64 bzw. 67 größer sind (ca. doppelt so groß) als die Beträge der Referenzspannungen 65 bzw. 66. Die Ausgangssignale 72, 73, 74, 75 der vier Komparatoren 34, 35, 36, 37 werden miteinander verknüpft in drei Speichern so umgesetzt, daß sich der Speicherausgang nicht ändert, wenn die Regelabweichung 78 zwischen zwei benachbarten Referenzspannungen verläuft.

Jeder der drei Speicher 38, 39, 40 ist ein aus NOR-Gliedern verknüpftes dominierend löschendes RS-Flipflop dessen Eingängen je ein UND-Glied vorgeschaltet ist und jeder Ausgang des Flipflops in einer Rückführschaltung auf einen der beiden Eingänge des dem eigenen Eingang vorgeschalteten UND-Gliedes ein Zeitglied 51 bis 56 aufweist.

Die Zeitglieder 51 bis 56 sind notwendig um die Wirksamkeit der jedem Stellglied 1, 2, 3, 4, 5 zugeordneten Überwachungsschaltung 21 bis 25 zu sichern und Fehlschaltungen,die zu Überlastung der Stellglieder 1, 2, 3, 4, 5 führen,zu vermeiden.

Der Ausgang 72 des ersten Komparators 34 ist auf den anderen Eingang 72 des den Löscheingang des ersten Speichers 38 vorgeschalteten UND-Gliedes geschaltet.

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Der Ausgang 73 des zweiten !Comparators 35 ist über einen Negato 57 auf den anderen Eingang des dem Setzeingang des ersten Speichers 38 vorgeschalteten UND-Gliedes geschaltet.

Der Ausgang 73 des zweiten Komparators 35 ist auf den anderen Eingang des dem Löscheingang des zweiten Speichers vorgeschalteten UND-Gliedes geschaltet.

Der Ausgang 74 des dritten Komparators 36 ist über einen Negato 58 auf den anderen Eingang des dem Setzeingang des zweiten Speichers 39 vorgeschalteten UND-Gliedes geschaltet.

Der Ausgang 74 des dritten Komparators 36 ist auf den anderen Eingang des dem Löscheingang des dritten Speichers 40 vorgeschalteten UND-Gliedes geschaltet.

Der Ausgang 75 des vierten Komparators 37 ist auf den anderen Eingang des dem Setzeingang des dritten Speichers 40 vorgeschalteten UND-Gliedes geschaltet.

Die drei Speicherausgänge 76, 77, 78 mit jeweils unterschiedlichen Pulssequenzen sind auf drei Eingänge einer Logikeinheit 44 geschaltet und in dieser zusammen mit zwei die Stromrichtung des Laststromes 69 bestimmenden Ausgängen 70, 71 einer Kippschaltung 43 zu den Ansteuersignalen 84 bis 88 für die Stellglieder 1 bis 5 verknüpft. Dadurch wird erreicht, daß abhängig von der Stromrichtung 69 immer die richtigen Stellglieder 1 bis 5 geschaltet werden. Außerdem beinhaltet die Logikeinheit 44 eine Sicherheitsschaltung die die gleichzeitige Vorgabe beider Strompolaritäten selbst im Falle von Bauteildefekten verhindert. Die Impulssperre

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gestattet es, gezielt von außen durch die Ablaufsteuerung und die Überwachung der Stromversorgung die Ansteuerung der Stellglieder 1 bis 5 freizugeben__pder zu blockieren.

Die fünf Ausgänge der Logikeinheit 44 mit den Ansteuersignalen 84 bis -88 sind über Impulsverstärker 45 bis 49 mit den Eingängen der Ansteuer- und Überwachungs-Elektronik 21 bis 25-der Stellglieder 1 bis 5 verbunden, die zur Potentialtrennung Optokoppler 59 bis 63 enthalten.

Die Kippschaltung 43 besteht aus zwei Zeitgliedern, die vom .Ausgang des Polaritätsdetektors 42 angesteuert werden. Die Kippschaltung 43 gewährleistet, daß der Übergang von der alten Strompolarität zur neuen so von statten geht, daß die alte Strompolarität sofort gesperrt und die neue Strompolarität verzögert freigegeben wird.

Die Impulsverstärker 45 bis 49 verstärken die Ansteuersignale 84 bis 88 für die Stellglieder 1 bis 5. Damit können die Optokoppler 59 bis 63 auf den Platinen der Ansteuer- und Überwachungs-Elektronik 21 bis 25 störsicher angesteuert werden.

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Claims (4)

Getaktete Stromversorgung für Ströme deren Zeitfunktion einen freiwählbaren Verlauf aufweisen, nach dem Prinzip a) der Laststromverlauf wird von einer Führungsgröße (20) bestimmt (Folgeregelkreis), b) die Führungsgröße (20) und die Regelgröße (19) werden miteinander verglichen (15)-, c) die Stellglieder werden getaktet, —_ dadurch gekennzeichnet, daß d) ein Steilheitsbegrenzer (31) vorhanden ist, der die obere Grenzfrequenz der jede beliebige unipolare oder bipolare Kurvenform aufweisenden Führungsgröße (20) an die von den verwendeten Stellgliedern (1, 2, 3, 4, 5) und der Lastinpördanz (17) bestimmte maximale Schaltgeschwindigkeit der Leistungsstufe anpaßt, e) die Stromversorgung einen diskontinuierlichen Tastregler (16) aufweist, wobei sowohl die Pulsbreite als auch der Pulsabstand lastabhängig sind, f) jedes der in Brückenschaltung angeordneten Stellglieder (1, 2, 3 , 4) eine eigene Ansteuer-, Überwachungs-(21, 22, 23, 24) und der jeweiligen Last angepaßte Bedämpfungsschaltung (27, 28, 29, 30) aufweist, g) eine logische Schaltungsanordnung (44) vorhanden ist, welche verhindert, daß die für jedes Stellglied (1, 2, 3, 4) in der Sequenz, Impulsabstand und in der Pulsbreite sich unterscheidenden Taktimpulse fehlerhafte Schaltkombinationen der Stellglieder (1, 2, 3, 4) auslösen, die zur Überlastung derselben- und Sür Abschaltung des Gerätes führen können. h) zwischen den Ausgang des Regelverstärkers (32) und den bipolare Spannung verarbeitenden Analog-Puls-Umsetzer (68) ist zur Festlegung der Polarität des Laststromes (69) ein Polaritätsumschalter (33) geschaltet, j) als Voraussetzung zum zeitgerechten Umschalten der Polarität des Laststromes (69) wirkt auf den Steuereingang (82) des Polaritätsumschalters (33) ein Polaritätsdetektor (42) mit der Eigenschaft, ein erstes Rechtecksignal bei Polaritätswechsel der Führungsgröße-(20) so lange zu speichern, bis ein bei Nulldurchgang der Regelgröße (19) vom Nullspannungsschalter (41) erzeugtes zweites Rechtecksignal anliegt, j) der Ausgang des Polaritätsdetektors (42) auf den Eingang einer Kippschaltung (43) geschaltet ist, deren Ausgangssignale (70, 71) einer logischen Schaltungsanordnung (44) zugeführt sind, k) zwischen den Ausgängen (72, 73, 74) des Analog-Puls-Umsetzers (68) und den Eingängen (76, 77, 78) der Logik-Schaltung (44) je ein Speicher (38, 39, 40) mit je zwei Zeitgliedern (51, 52, 53, 54, 55, 56) in der Rückführungsschaltung vorhanden ist,

1) Einrichtungen (64, 65, 66, 67) vorhanden sind, mit denen ein Toleranzband des Laststromes (69) innerhalb dessen die Regelgröße (19) der Führungsgröße (20) folgt eingestellt wird,

2. Stromversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung des Laststromanstieges ein weiteres getaktetes Stellglied (5) mit zugehöriger Ansteuer- Uberwachungs- (25) und Bedämpfungsschaltung (89) in Reihe zu der Brückenschaltung der Stellglieder (1, 2, 3, 4) geschaltet und eine Sperrdiode (12) vorhanden ist.

3. Stromversorgung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu einer ohmschen Last in Reihe eine Induktivität _% geschaltet ist um die Taktfrequenz zu begrenzen.

4. Stromversorgung nach Anspruch 1 und einem der folgenden,

dadurch gekennzeichnet, daß "die Stromversorgung für dreiphasigen Betrieb mit zwei weiteren Stellgliedern zur Drehstrombrückenschaltung erweitert werden kann.