DE3438921C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgung nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1. Eine derartige Stromversorgung ist aus der DE-OS 27 10 331 bekannt.

In bestimmten Anwendungsbereichen, z. B. zur Speisung von Mag­ neten eines Teilchenbeschleunigers mit trapezförmig verlau­ fenden Wechselströmen sind Hochstromnetzgeräte erforderlich deren Netzstrom einem vorbestimmten Verlauf einer Führungs­ größe 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 vorge­ schaltet ist. Während der Konstantstromabschnitte sind je nach Laststrompolarität die jeweils benötigten Transistorpaare 1, 4 oder 3, 2 leitend und der Längsregler 6 wird getaktet. Hierbei handelt es sich um einen internen Stand der Technik bei der Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt.

Die Nachteile der bekannten Stromversorgung bestehen insbeson­ dere darin, daß der Längsregler 6 ständig den vollen Laststrom 69 führen und die dadurch dort entstehende Wärme mit einem be­ trächtlichen 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 verschie­ denen Aufgaben der Stellglieder 1, 2, 3, 4 und des Langsreg­ lers 6 ist eine aufwendige Regelelektronik nötig. Für kurz­ schlußfeste 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 dann noch größer ist.

In der DE-OS 27 10 331 ist ein transistorisierter Zerhacker mit einem Leistungsteil in Brückenschaltung beschrieben. Ein Pi­ lotsignal schafft die Voraussetzung, daß je nach Polarität die entsprechenden zwei Transistoren leiten. Diese Voraussetzung ist hinreichend für den jeweils oberen Transistor. Der untere Transistor benötigt als weitere notwendige Voraussetzung noch den Soll-Ist-Wert-Vergleich und die Maximalstromunterschrei­ tung. Das heißt immer der untere Transistor wird während der lei­ tenden Phase des oberen je nach Ist-Wert leiten oder sperren, also takten. Die Maximalwertermittlung des Laststromes ge­ schieht an einem Widerstand, der, in Reihe zu der Brücke lie­ gend, bis auf die Intervalle der gesperrten Zustände der unte­ ren Transistoren Verlustleistung proportional zum Laststrom- Quadrat erzeugt. Ist dieser Widerstand wegen großem Laststrom zu meiden, sind die Steuermittel so nicht mehr einsetzbar.

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

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromversorgung für Teilchenbeschleunigermagnete, mit der man beliebige zeit­ liche Stromverläufe innerhalb eines um einen Sollwert vorge­ gebenen Toleranzbandes fahren kann, verlustarm zu steuern und zu regeln.

Diese Aufgabe wird mit einer Stromversorgung, die eine Regel­ einrichtung und eine logische Schaltungsanordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 aufweist, gelöst.

Die Unteransprüche 2 bis 4 beschreiben Bauelemente der Regel­ einrichtung und Schaltungsanordnungen, die hier vorteilhafte Eigenschaften aufweisen. Im Unteranspruch 5 ist der Einsatz einer zweiten Gleichstromquelle gekennzeichnet, mit der ein steilerer Laststromanstieg durchgeführt werden kann. Das Kenn­ zeichen des Anspruch 6 führt eine allen Stellgliedern gleiche Beschaltung wie eine Ansteuer- und Überwachungseinheit und eine Bedämpfungsschaltung an. In den Ansprüchen 7 und 8 sind notwendige Einrichtungen im Leistungsteil der Stromversorgung aufgeführt, falls einerseits die Brücke zwei Gleich­ stromversorgungen hat und andererseits die Taktfrequenz der unteren beiden Stellglieder begrenzt sein muß.

Anspruch 9 schließlich betrifft eine Erweiterung der Brücken­ schaltung zu einer sogenannten Drehstrombrückenschaltung, wie sie für frequenzvariable Drehstromantriebe Anwendung findet.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Stromversorgung in Brückenschaltung mit Längs­ regler,

Fig. 2 eine Stromversorgung in Brückenschaltung und zwei Gleichspannungsversorgungen, bei der die beiden unteren Stell­ glieder je nach Laststrompolarität getaktet werden,

Fig. 3 Regeleinrichtung und logische Schaltungsanordnung für die Stromversorgung nach Fig. 2.

Fig. 1 zeigt eine aus dem internen Stand der Technik bekannte Strom­ versorgung in Brückenschaltung mit Längsregler 6. Für einen positiven Laststromverlauf sind grundsätzlich die Stellglieder 1 und 4 im leitenden Zustand während das Stellglied 6 entspre­ chend Sollwertvergabe taktet. Ist während des Taktens das Stellglied 6 im sperrenden Zustand, dann nimmt der Laststrom zwei mögliche Freilaufwege. Das ist einmal Last-Diode 9 - Stellglied 1 und zum anderen Last-Stellglied 4 - Diode 8. Die Stellglieder 3, 2 sperren ständig während des positiven Last­ stromes.

Bei negativem Laststrom sperren die Stellglieder 1, 4 ständig. Der Längsregler 6 taktet nach wie vor und die Freilaufwege sind Last-Diode 7 - Stellglied 3 und Last-Stellglied 2 - Diode 10. Die hauptsächliche Verlustleistung hat also der Längsreg­ ier 6 zu tragen; er ist für beide Laststromrichtungen ständig beansprucht.

Fig. 2 zeigt eine Stromversorgung in Brückenschaltung, die von zwei Gleichstromquellen gespeist werden kann. Beide haben eine Strom- und Spannungsglättungseinrichtung. Die obere die Drossel 76 und den Kondensator 14 und zusätzlich das Stell­ glied 5 mit Beschaltung 25, 89. Die untere ebenfalls eine Drossel 14 und einen Kondensator 13. Die Diode 12 ist nur bei Einsatz der oberen Gleichstromquelle notwendig. Die taktenden Stellglieder sind die Transistoren 2, 4.

Die Stellgliederzustände während einer bipolaren, trapezförmi­ gen Sollwertvergabe, wie bei Beschleunigermagneten üblich, werden nun erläutert, zunächst ohne Einsatz der oberen Gleichstromquelle 26 und damit auch ohne Diode 12.

Für den positiven Anstieg bleiben die Stellglieder 3, 2 ständig gesperrt. Das Stellglied 1 ist ständig leitend und Transistor 4 wird je nach Stromanstiegsgeschwindigkeit, bestimmt durch die Last 17, 18, mehr oder weniger schnell getaktet, wobei im Falle des notwendigen Laststromfreilaufes für den sperrenden Transistor der Weg Last-Diode 9 - Transistor 1 ist. Im Extrem­ fall für einen sehr raschen Laststromanstieg bleibt das Stell­ glied 4 bis zum Erreichen des Plateaus leitend und beginnt erst im Plateaubereich zu takten, und zwar mit einer Frequenz, die abhängig von der Laststromhöhe ist.

Das Herunterfahren des Laststromes erfolgt im sanften Fall über das Takten des Stellgliedes 4 entsprechend dem Plateau. Für einen schnellen Abfall des Laststromes 69 sperren beide Stellglieder 1, 4, und ein Freilauf des Laststromes 69 erfolgt über Diode 9 - Kondensator 13 - Diode 8 - Last. Diode 12 exi­ stiert zunächst noch nicht.

Ein trapezförmig negativer Laststromverlauf ist entsprechend dem oben Gesagten, nur daß hierbei die Stellglieder 1, 4 stän­ dig im sperrenden Zustand sind und die Stellglieder 3, 2 jetzt die Laststromführung übernehmen, wobei wiederum Transistor 2 taktet. Die Freilaufwege für den negativen Laststrom 69 sind entsprechend.

Die Taktfrequenz der taktenden Stellglieder 2 oder 4 während der Regelung setzt sich zusammen aus einem Stromanstiegsinter­ vall, dann leitet Transistor 2 oder 4, und einem Stromab­ stiegsintervall, dann sperrt Transistor 2 oder 4. Es ist klar, daß die Intervalle variabel sind, da sie vom Betrag der Last­ stromhöhe abhängen. Damit ist die Taktfrequenz aber auch va­ riabel. Plausibel ist, daß im Falle gleicher Sperr- und Lei­ tintervalle die Taktfrequenz am höchsten ist.

Im Falle eines bipolaren trapezförmigen Laststromverlaufes mit möglichst raschem Stromanstieg ist die zweite Gleichstrom­ quelle 26 notwendig. Der Laststromanstieg wird bestimmt durch die Last 17, 18 und die treibende Spannung der Gleichstrom­ quelle 26, sofern diese höher ist als die untere. Die obere Gleichstromquelle ist nur für die ansteigende und abfallende Flanke des trapezförmigen Laststromverlaufes wichtig. Für den schnellsten positiven Anstieg sind die Stellglieder 5, 1, 4 lei­ tend. Für den raschesten Abfall im positiven Bereich sperren diese und der Freilauf erfolgt über Diode 9 - Diode 11 - Kon­ densator 14 - Diode 8. Im Plateaubereich des Laststromes wird die Gleichstromquelle 26 von der Brücke durch den sperrenden Transistor 5 abgetrennt und das Takten von Transistor 2 oder 4 erfolgt, wie schon geschildert.

Für trapezförmig negative Laststromverläufe gilt das oben Ge­ sagte entsprechend. Hierbei sperren dann die Stellglieder 1, 4.

Die Verlustleistung an den Stellgliedern 1, 2, 3, 4, 5 in Fig. 2 teilt sich entsprechend des Laststromverlaufes auf. Dabei ha­ ben die üblicherweise taktenden Stellglieder 2, 4 den Hauptan­ teil zu tragen, jedoch beide nur abschnittsweise und nicht ständig wie der Längsregler in Fig. 1.

In Fig. 3 ist die Regeleinrichtung und die logische Schal­ tungsanordnung zum sicheren Betreiben der Stromversorgung nach Fig. 2 dargestellt. Sie wird im Folgenden beschrieben.

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 Steilheitsbegren­ zers 31 wird an der Vergleichsstelle 15 mit der Regelgröße 19 verglichen und die Regelabweichung 78 in einem Regelverstärker 32 verstärkt, dessen Ausgang auf den Eingang 80 eines elektro­ nischen Polaritätsschalters 33 geschaltet ist. Der Polaritäts­ schalter 33 bewertet die Polarität der Regelabweichung 78 ab­ hängig von der Polarität des Laststromes 69. Dadurch braucht man die Schaltungseinheit 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 Polari­ tätsdetektor 42 geschaltet, der eine Sprungfunktion bei Pola­ ritätswechsel 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 Po­ laritätsschalter 33 vorzeitiges Umschalten der Polarität des Laststromes 69 verhindert.

Der Ausgang des Polaritätsschalters 33 mit der bewerteten ver­ stärkten Regelabweichung 80 ist auf den Eingang eines Analog- Puls-Umsetzers 68 geschaltet, in dem die verstärkte Regelab­ weichung 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 Vrstärkung des Regelverstärkers 32 die Regelgenauig­ keit (Toleranzband). Die Anzahl der Komparatoren 34, 35, 36, 37 des Analog-Puls-Umsetzers 68 entspricht der Anzahl der ge­ wünschten 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 Tran­ sistoren 1 und 4 oder 3 und 2, vierter Komparator 37: Schnell­ treiben über den zusätzlichen Transistor 5.

Die Referenzspannungen 64 und 65 sind positiv, die Referenz­ spannungen 66 und 67 sind negativ vorgegeben, wobei die Be­ träge 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 Refe­ renzspannungen 65 bzw. 66. Die Ausgangssignale 72, 73, 74, 75 der vier Komparatoren 34, 35, 36, 37 werden miteinander ver­ knüpft in drei Speichern so umgestzt, daß sich der Spei­ cherausgang 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 Eingän­ gen je ein UND-Glied vorgeschaltet ist und jeder Ausgang des Flipflops in einer Rückführschaltung auf einen der beiden Ein­ gänge 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 Überwachungs­ schaltung 21 bis 25 zu sichern und Fehlschaltungen, die zu Überlastung der Stellglieder 1, 2, 3, 4, 5 führen, zu vermei­ den.

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

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

Der Ausgang 73 des zweiten Kompartors 35 ist auf den anderen Eingang des dem Löscheingang des zweiten Speichers vorgeschal­ teten UND-Gliedes geschaltet.

Der Ausgang 74 des dritten Komparators 36 ist über einen Ne­ gato 58 auf den anderen Eingang des dem Setzeingang des zwei­ ten 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 vorge­ schalteten UND-Gliedes geschaltet.

Die drei Speicherausgänge 76, 77, 78 mit jeweils unterschied­ lichen Pulssequenzen sind auf drei Eingänge einer Logikeinheit 44 geschaltet und in dieser zusammen mit zwei die Stromrich­ tung 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 ab­ hängig von der Stromrichtung 69 immer die richtigen Stellglie­ der 1 bis 5 geschaltet werden. Außerdem beinhaltet die Lo­ gikeinheit 44 eine Sicherheitsschaltung, die die gleichzeitige Vorgabe beider Strompolaritäten selbst im Falle von Bau­ teildefekten verhindert. Die Impulssperre 50 gestattet es, ge­ zielt von außen durch die Ablaufsteuerung und die Überwachung der Stromversorgung die Ansteuerung der Stellglieder 1 bis 5 freizugeben oder zu blockieren.

Die fünf Ausgänge der logischen Schaltungsanordnung 44 mit den Ansteuersignalen 84 bis 88 sind über Impulsverstärker 45 bis 49 mit den Eingän­ gen der Ansteuer- und Überwachungs-Elektronik 21 bis 25 der Stellglieder 1 bis 5 verbunden, die zur Potentialtrennung Op­ tokoppler 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 vonstatten 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 Opto­ koppler 59 bis 63 auf den Platinen der Ansteuer- und Überwa­ chungs-Elektonik 21 bis 25 störsicher angesteuert werden.

Claims (9)

1. Stromversorgung in Brückenschaltung mit mindestens einer Gleichstromquelle zur Erzeugung eines vorgebbaren Last­ stromverlaufes mit einer Regeleinrichtung zur Nachführung des Laststromes innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbandes um einen Sollwert und mit einer logischen Schal­ tungsanordnung zur Herbeiführung fehlerfreier und zerstö­ rungsfreier Schaltzustände der Brückenstellglieder, dadurch gekennzeichnet, daß

• - zwischen dem Ausgang eines Regelverstärkers (32) der Re­ geleinrichtung und einem eine bipolare Spannung verar­ beitenden Analog-Puls-Umsetzer (68) zur Festlegung der Polarität des Laststromes (69) ein Polaritätsumschalter (33) geschaltet ist,
• - als Voraussetzung zum zeitgerechten Umschalten der Pola­ rität des Laststromes (69) auf den Steuereingang (82) des Polaritätsumschalters (33) ein Polaritätsdetektor (42) mit der Eigenschaft wirkt, ein erstes Rechtecksig­ nal bei Polaritätswechsel der Führungsgröße (20) so lange zu speichern, bis ein bei Nulldurchgang der Regel­ größe (19) vom Nullspannungsschalter (41) erzeugtes zweites Rechtecksignal anliegt,
• - der Ausgang des Polaritätsdetektors (42) auf den Eingang einer Kippschaltung (43) geschaltet ist, deren Ausgangs­ signale (70, 71) der logischen Schaltungsanordnung (44) zugeführt sind,
• - zwischen den Ausgängen (72, 73, 74) des Analog-Puls-Um­ setzers (68) und den Eingängen (76, 77, 78) der logischen Schaltungsanordnung (44) je ein Speicher (38, 39, 40) mit je zwei Zeitgliedern (51, 52; 53, 54; 55, 56) in Rückführungs­ schaltung besteht.

2. Stromversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung einen diskontinuierlichen Tastreg­ ler (16) aufweist, bei dem die Pulsbreite als auch der Pulsabstand laststromabhängig sind.

3. Stromversorgung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steilheitsbegrenzer (31) die Führungsgröße (20) in ihrem Anstieg beschneidet und die obere Grenzfrequenz der jede beliebige unipolare oder bipolare Kurvenform aufwei­ senden Führungsgröße (20) an die von den verwendeten Stell­ gliedern (1, 2, 3, 4,) und der Lastimpedanz (17) bestimmte maximale Schaltgeschwindigkeit der Leistungsstufe anpaßt.

4. Stromversorgung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Regeleinrichtung Bauelemente (64, 65, 66, 67) vorhanden sind, mit denen das Toleranzband des Laststromes (69), innerhalb dessen die Regelgröße (19) der Führungs­ größe (20) folgt, eingestellt wird.

5. Stromversorgung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für einen steileren Laststromanstieg eine weitere Gleichstromquelle (26) mit entsprechend hoher Quellenspan­ nung über ein taktbares Stellglied (5) an die Brückenschal­ tung angeschlossen ist.

6. Stromversorgung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Stellglied (1, 2, 3, 4) der Brückenschaltung und dem Stellglied (5) für das Anlegen der weiteren Gleich­ stromquelle (26) eine eigene Ansteuer- und Überwachungs­ schaltung (21, 22, 23, 24, 25) sowie eine Bedämpfungsschal­ tung (27, 28, 29, 30, 89) angebracht ist.

7. Stromversorgung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Diode (12) im Strompfad von der ersten Gleichspan­ nungsquelle zur Brückenschaltung einen Rückstrom in den Kondensator (13) unterbindet.

8. Stromversorgung nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Last eine Reihenschaltung aus Induktivi­ tät und ohmschen Widerstand ist, wodurch die Taktfrequenz für die Stellglieder begrenzt wird.

9. Stromversorgung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch Parallelschalten zweier weiterer in Reihe ge­ schalteter Stellglieder zu der Brückenschaltung und der entsprechenden Erweiterung der Steuer- und Regeleinrichtung die Brückenschaltung zu einer Drehstrombrückenschaltung er­ weiterbar ist.