DE3533666A1

DE3533666A1 - Power supply device having pulsed charging current limiting

Info

Publication number: DE3533666A1
Application number: DE19853533666
Authority: DE
Inventors: Edmund Poetsch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1985-09-20
Filing date: 1985-09-20
Publication date: 1987-03-26

Abstract

The power supply device having pulsed charging current limiting consists of a filter which is connected to a three-phase AC system, of a rectifier arrangement which is connected downstream from this filter, and of a charging current limiting arrangement which is connected downstream of the rectifier arrangement and has a charging capacitor which is connected in parallel with a load which can be connected to the output of the power supply device. A measurement device (M) which is used for measuring the charging current, a switching device (S) which can be driven by a control device (N) which is allocated to the measurement device (M), and an inductor (choke) (L1) are arranged in series at the output of the rectifier arrangement (V1) in a charging circuit which surrounds the charging capacitor (CL). A freewheeling diode (V2) is arranged in parallel with the series circuit comprising the charging capacitor (CL) and the inductor (L1). The power supply device according to the invention limits charging currents and reduces their harmonic content. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungseinrichtung mit getakteter Ladestrombegrenzung, bestehend aus einem an ein dreiphasiges Wechselstromsystem angeschlossenes Filter, aus einer diesem Filter nachgeschalteten Gleichrichteranordnung und aus einer der Gleichrichteranordnung nachgeschalteten Ladestrombegrenzungsanordnung mit einem zu einem an den Ausgang der Stromversorgungseinrichtung anschaltbaren Verbraucher parallelgeschalteten Ladekondensator.The invention relates to a power supply device with clocked charge current limitation, consisting of a connected to a three-phase AC system Filter, from a rectifier arrangement connected downstream of this filter and from one of the rectifier arrangements downstream charging current limiting arrangement with a to one at the output of the power supply device connectable load capacitor connected in parallel.

In bekannten Stromversorgungseinrichtungen, die eine Gleichspannung durch Gleichrichtung einer dreiphasigen Wechselspannung erzeugen, wird die aus dem Netz erzeugte Energie in einem Ladekondensator gespeichert. Bei der Energieentnahme aus dem Netz entstehen unerwünschte Nachladestromspitzen mit hohem Oberwellengehalt. Derart verlaufende Nachladevorgänge erschweren zum einen die Bildung der Gleichspannung und wirken zum anderen auf das Netz zurück, wo sie zu unerwünschten Verzerrungen führen. Zur Reduzierung dieses Oberwellengehalts werden Filter verwendet, die auf die Frequenz der Oberschwingungen abzustimmen sind. Solche Filter sind wegen der hohen Anforderungen an die Oberwellenreduzierung schaltungtechnisch nur sehr aufwendig zu realisieren.In known power supply devices, the one DC voltage by rectifying a three-phase Generate AC voltage, the generated from the network Energy stored in a charging capacitor. In the Unwanted recharging current peaks occur when energy is drawn from the network with high harmonic content. So trending Reloading processes make education more difficult the DC voltage and have an effect on the other Back where they lead to unwanted distortion. Filters are used to reduce this harmonic content used to tune to the frequency of the harmonics are. Such filters are because of the high demands circuitry to reduce harmonics to realize only with great effort.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromversorgungseinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen die Ladeströme begrenzt und deren Oberwellenanteil vermindert.The invention has for its object a power supply device to create the type mentioned limits the charging currents and their harmonic content reduced.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß am Ausgang der Gleichrichteranordnung in einem den Ladekondensator umfassenden Ladestromkreis eine der Messung des Ladestroms dienende Meßeinrichtung, eine von einer der Meßeinrichtung zugeordneten Steuereinrichtung ansteuerbare Schalteinrichtung und eine Drossel in Serie angeordnet sind, und daß parallel zu der Serienschaltung aus Ladekondensator und Drossel eine Freilaufdiode angeordnet ist.This object is achieved in that on Output of the rectifier arrangement in a charging capacitor comprehensive charging circuit one of the measurement of the Charging current serving measuring device, one of the Controllable control device associated with measuring device Switching device and a throttle arranged in series are, and that in parallel with the series circuit of charging capacitor and choke a free-wheeling diode is arranged.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung besteht die Meßeinrichtung aus einem Widerstand, der bei geschlossenem Ladestromkreis eine dem Ladestrom proportionale Spannung erzeugt.In a further embodiment of the invention there is the measuring device from a resistance that when closed Charging circuit a voltage proportional to the charging current generated.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht die Schalteinrichtung aus einem Transistor.In a further embodiment of the invention Switching device from a transistor.

Die Erfindung zeichnet sich durch den Vorteil aus, daß die Stromversorgungseinrichtung ohne schaltungstechnisch aufwendige Filter zur Realisierung des Ladestromoberwellengehalts realisiert werden kann. Gegenüber einer mit Hilfe von Netzdrosseln realisierten Nachladestrombegrenzung weist das Filter in der Stromversorgungseinrichtung gemäß der Erfindung wesentlich kleinere Filterdrosseln auf. Die durch die Stromversorgungseinrichtung gemäß der Erfindung gebildeten Ladeströme führen zu keinen nennenswerten Verzerrungen der Netzspannung. Die Gleichrichteranordnung und der Ladekondensator werden nur einer geringen Impulsstrombelastung ausgesetzt.The invention is characterized by the advantage that the power supply device without circuitry elaborate filters to realize the charging current harmonic content can be realized. Opposite one with Reload current limitation implemented with the help of line chokes has the filter in the power supply device much smaller filter chokes according to the invention on. The by the power supply device according to the Charging currents formed according to the invention do not lead to any noteworthy Distortion of the mains voltage. The rectifier arrangement and the charging capacitor will only be a small one Impulse current load exposed.

Als vorteilhaft erweist sich auch die einfache Ausgestaltung der Ladestrommeßeinrichtung durch einen Widerstand. Als vorteilhaft erweist sich darüber hinaus auch die einfache Ausgestaltung der Schalteinrichtung durch einen Transistor.The simple design also proves to be advantageous the charging current measuring device by a resistor. The simple one also proves to be advantageous Design of the switching device by a Transistor.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang beschrieben. Dabei zeigtThe invention is now based on the drawings in one scope described for understanding. Here shows

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Stromversorgungseinrichtung, und Fig. 1 is a block diagram of the power supply device, and

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf des Ladestroms in der Stromversorgungseinrichtung nach Fig. 1. FIG. 2 shows the course of the charging current over time in the power supply device according to FIG. 1.

Die Stromversorgungseinrichtung ist an ein dreiphasiges Wechselspannungsnetz angeschlossen. Sie weist eingangsseitig ein Filter Z und eine nachgeschaltete Gleichrichteranordnun V 1 auf. An die Gleichrichteranordnung V 1 schließt sich eine im folgenden beschriebene Ladestrombegrenzung Ladestrombegrenzungsanordnung mit einem Ladekondensator CL an, zu dem parallel ein Verbraucher anschaltbar ist. Der Verbraucher kann, wie in Fig. 1 dargestellt, das Verhalten eines variablen ohmschen Widerstandes RL aufweisen. Die Stromversorgungseinrichtung eignet sich jedoch auch für Verbraucher, die nicht nur das Verhalten eines ohmschen Widerstandes aufweisen, z. B. eine weitere getaktete Stromversorgungseinrichtung, die über keine besondere Einrichtung zur Begrenzung des Ladestroms verfügt. Etwaige kapazitive Elemente des zum Ladekondensators CL parallelgeschalteten Verbrauchers können bei der Dimensionierung des Ladekondensators CL problemlos berücksichtigt werden.The power supply device is connected to a three-phase AC network. It has a filter Z on the input side and a downstream rectifier arrangement V 1 . The rectifier arrangement V 1 is followed by a charge current limitation arrangement, described below, with a charge capacitor CL , to which a load can be connected in parallel. As shown in FIG. 1, the consumer can have the behavior of a variable ohmic resistance RL . However, the power supply device is also suitable for consumers who not only have the behavior of an ohmic resistor, for. B. another clocked power supply device that has no special device for limiting the charging current. Any capacitive elements of the parallel-connected to the charging capacitor CL consumer can easily be taken into account in the dimensioning of the charging capacitor CL.

Die Ladestrombegrenzungsanordnung umfaßt einen Ladestromkreis, der nebem dem Ladekondensator CL eine Drossel L 1, eine Ladestrommeßeinrichtung M und eine Schalteinrichtung S aufweist. Ladekondensator CL, Drossel L 1, Meßeinrichtung M und Schalteinrichtung N sind in Serie geschaltet. Parallel zu der Serienschaltung aus dem Ladekondensator CL und der Drossel L 1 ist eine Freilaufdiode V 2 geschaltet. Eine parallel zur Meßeinrichtung M angeordnete Steuereinrichtung N steuert die Schalteinrichtung S mit einer Taktfrequenz von z. B. 20 kHz und einem vom Ladestrom abhängigen Tastverhältnis V _t.The charging current limiting arrangement comprises a charging circuit which, in addition to the charging capacitor CL, has a choke L 1 , a charging current measuring device M and a switching device S. Charging capacitor CL , choke L 1 , measuring device M and switching device N are connected in series. A freewheeling diode V 2 is connected in parallel with the series circuit comprising the charging capacitor CL and the choke L 1 . A control device N arranged parallel to the measuring device M controls the switching device S with a clock frequency of z. B. 20 kHz and a duty cycle dependent on the charging current V _t .

Die Netzwechselspannung gelangt über das Filter Z auf die Gleichrichteranordnung V 1. Sie kann mit einem der Gleichrichteranordnung V 1 vorgeschalteten, in Fig. 1 nicht dargestellten, Transformator so übersetzt werden, daß die maximal geforderte Ausgangsgleichspannung der Stromversorgungseinrichtung erreicht wird. Außerdem bewirkt der Transformator die galvanische Trennung von Netz und Verbraucher RL.The AC mains voltage reaches the rectifier arrangement V 1 via the filter Z. It can be translated using a transformer connected upstream of the rectifier arrangement V 1 , not shown in FIG. 1, in such a way that the maximum required DC output voltage of the power supply device is achieved. In addition, the transformer galvanically isolates the mains and consumer RL .

Der Ladekondensator CL wird immer dann aus dem Netz nachgeladen, wenn die Kondensatorspannung abgesehen von der Durchlaßspannung des Gleichrichters in der Anordnung V 1 einen geringeren Wert als die Netzspannung aufweist. Der entstehende Nachladestrom fließt durch den Ladestromkreis, der zunächst durch die Schalteinrichtung S in geschlossenem Zustand gehalten wird. Solange der Ladestrom den unten genannten Sollwert nicht überschreitet, beträgt das Tastverhältnis V _t=1. In diesem Zeitraum speichert die Drossel L 1 Energie. An der Ladestrommeßeinrichtung M, die als ohmscher Widerstand RS ausgebildet sein kann, ergibt sich eine dem Ladestrom proportionale Spannung. Diese Spannung wird von der Steuerungseinrichtung N abgegriffen und mit einem Sollwert verglichen. Die Steuerungseinrichtung N steuert die Schalteinrichtung S, die durch einen Transistor gebildet werden kann, in der Weise, daß beim Überschreiten des Sollwerts das Tastverhältnis V _t schmal (≦ωτ1) gesteuert wird und so ein weiteres Ansteigen des Ladestromes verhindert wird. Die Schalteinrichtung S wird in diesem Betriebszustand mit hoher Frequenz von beispielsweise 20 kHz getaktet. Die Drossel L 1 gibt Energie immer dann über die Freilaufdiode V 2 an den Ladekondensator CL und den Verbraucher RL ab, wenn der Ladestromkreis durch die Schalteinrichtung S geöffnet wird.The charging capacitor CL is always recharged from the mains when the capacitor voltage, apart from the forward voltage of the rectifier in the arrangement V 1, has a lower value than the mains voltage. The resulting recharging current flows through the charging circuit, which is initially kept in the closed state by the switching device S. As long as the charging current does not exceed the setpoint mentioned below, the pulse duty factor V _t = 1. During this period, the choke L 1 stores energy. A voltage proportional to the charging current results at the charging current measuring device M , which can be designed as an ohmic resistor RS . This voltage is tapped by the control device N and compared with a target value. The control device N controls the switching device S , which can be formed by a transistor, in such a way that the pulse duty factor V _t narrow (≦ ωτ1) is controlled when the setpoint is exceeded, thus preventing a further increase in the charging current. In this operating state, the switching device S is clocked at a high frequency of 20 kHz, for example. The inductor L 1 always delivers energy via the freewheeling diode V 2 to the charging capacitor CL and the consumer RL when the charging circuit is opened by the switching device S.

Der Verlauf der Ströme I 1, I 2 und I 3 ist in Fig. 2 dargestellt. Während der Energieentnahme aus dem Netz hält die Schalteinrichtung S den Ladestromkreis in geschlossenem Zustand. Der Strom I 1 lädt den Kondensator CL auf und fließt durch den Verbraucher RL, die Drossel L 1, die Schalteinrichtung S und die Meßeinrichtung M. Während dieser Phase sind die in Fig. 2 dargestellten Ströme I 1 gleich I 3; über die Freilaufdiode V 2 fließt in diesem Zeitraum kein Strom (I 2=0). Der Strom I 1 steigt bis zu einem Maximalwert an, der in der Meßeinrichtung M zu einem entsprechenden Spannungsabfall führt. Die Steuereinrichtung N bewirkt über die Schalteinrichtung S das Öffnen des Stromkreises. Über die Freilaufdiode V 2 fließt der Strom I 2, der in diesem Zeitraum gleich I 3 ist. Das Öffnen des Stromkreises durch die Schalteinrichtung S unterbricht den Strom I 1. Die Steuereinrichtung N hält die Schalteinrichtung S solange gesperrt, bis das nächste Taktsignal (f 20 kHz) eines in der Steuereinrichtung N integrierten Oszillators den Ausgang wieder freigibt.The course of the currents I 1 , I 2 and I 3 is shown in FIG. 2. The switching device S keeps the charging circuit in the closed state during the removal of energy from the network. The current I 1 charges the capacitor CL and flows through the consumer RL , the inductor L 1 , the switching device S and the measuring device M. During this phase, the currents I 1 shown in FIG. 2 are equal to I 3 ; During this period, no current flows via the freewheeling diode V 2 ( I 2 = 0). The current I 1 rises to a maximum value, which leads to a corresponding voltage drop in the measuring device M. The control device N effects the opening of the circuit via the switching device S. Via the freewheeling diode V 2, the current I 2, which in this period of time is equal to I 3 flows. The opening of the circuit by the switching device S interrupts the current I 1 . The control device N keeps the switching device S blocked until the next clock signal (f 20 kHz) of an oscillator integrated in the control device N releases the output again.

Mit der Stromversorgungseinrichtung gemäß der Erfindung wird ein relativ großer Stromflußwinkel cos ϕ von etwa 0,8 ≦ωτ cos ϕ 1 realisiert, so daß das Filter Z, das nur eine relativ geringe, durch die Gleichrichteranordnung V 1 und den Ladekondensator CL verursachte, kapazitive Belastung zu kompensieren hat, schaltungstechnisch relativ einfach realisierbar ist. Es hat jedoch Funkstörungen, die durch die Taktung entstehen, zu reduzieren.With the power supply device according to the invention, a relatively large current flow angle cos ϕ of about 0.8 ≦ ωτ cos ϕ 1 is realized, so that the filter Z , which is only a relatively small, caused by the rectifier arrangement V 1 and the charging capacitor CL , capacitive load has to compensate, is relatively easy to implement in terms of circuitry. However, it has to reduce radio interference caused by clocking.

Claims

1. Power supply device with clocked charging current limitation, consisting of a filter connected to a three-phase AC system, from a rectifier arrangement connected downstream of this filter and from a charging current limiting arrangement connected downstream of the rectifier arrangement with a charging capacitor connected in parallel to a consumer that can be connected to the output of the power supply device, characterized in that at the output the rectifier arrangement ( V 1 ) in a charging circuit comprising the charging capacitor ( CL ), a measuring device ( M ) serving to measure the charging current, a switching device ( S ) which can be controlled by a control device ( N ) assigned to the measuring device ( M ) and a choke ( L 1 ) are arranged in series, and that a free-wheeling diode ( V 2 ) is arranged in parallel with the series circuit comprising the charging capacitor ( CL ) and choke ( L 1 ).

2. Power supply device according to claim 1, characterized in that the measuring device ( M ) consists of a resistor ( RS ) which generates a voltage proportional to the charging current when the charging circuit is closed.

3. Power supply device according to claim 1, or 2, characterized in that the switching device ( S ) consists of a transistor.