DE3545771A1 - Schaltungsanordnung zur erstellung einer variablen, oberschwingungsfreien gleichspannung aus einer wechselspannung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Anordnung ist durch die FR-B-15 90 167 bekannt.

Bei konventionellen Stromversorgungen, zum Beispiel bei dem in der FR-B-15 90 167 angegebenen netzgeführten Stromrichter mit nachgeschaltetem, passivem Tiefpaßfilter, läßt sich eine hohe Regelgenauigkeit wegen des damit verbundenen hohen Filteraufwands grundsätzlich nur mit entsprechend geringer Regeldynamik erzielen und umgekehrt.

Zum Beispiel bei einer Stromversorgung von Magneten für Teilchenbeschleuniger ist jedoch sowohl eine hohe Regeldynamik als auch eine hohe Regelgenauigkeit der oberschwingungsfreien Verbraucherspannung nötig. Eine derartige Spannung _d2 ist in ihrem gewünschten zeitlichen Verlauf in Fig. 7 der Zeichnung gezeigt. Die Änderung der Polarität soll dabei im Millisekundenbereich erfolgen. Der zugehörige sich einstellende Strom i _d2 der Stromversorgung ist in Fig. 6 dargestellt.

In der EP-A1-01 34 505 ist eine digitalgeregelte Stromversorgung mit hohem Wirkungsgrad, hoher Zuverlässigkeit und guter Regeldynamik beschrieben, die aus mehreren Schaltverstärkerstufen besteht, deren Ausgangsspannungen gleiche Polarität besitzen. Die Stufen sind zur Summierung der Ausgangsspannungen über eine Diodenkaskade in Reihe geschaltet und können zur Regelung der so erzeugten Gleichspannung außerdem unabhängig voneinander ein- und ausgeschaltet werden. Die Ausgangsspannungen der Mehrzahl der Stufen sind gleich, die der übrigen Stufen sind binär gewichtet. Die Gleichspannung ist im gesamten Spannungsbereich regelbar. Die Genauigkeit bzw. die Dynamik der Regelung hängen dabei vom Quantisierungsgrad der Gleichspannung bzw. von der Abtastfrequenz ab; sie können jedoch hoch angesetzt werden. Allerdings ist der schaltungstechnische Aufwand sehr groß.

In der DE-A1-18 16 530 ist eine analoggeregelte Stromversorgung mit hohem Wirkungsgrad angegeben, die aus mehreren Verstärkerstufen besteht, deren Ausgangsspannungen ebenfalls gleiche Polarität besitzen. Die Stufen sind zur Summierung der Ausgangsspannungen über eine Transistorkaskade in Reihe geschaltet. Zur Erzeugung der Ausgangsgleichspannung werden die Transistoren so gesteuert, daß mehrere direkt hintereinandergeschaltete Verstärkerstufen (einschließlich der Stufe mit dem niedrigsten Potential) eingeschaltet werden, wobei zur Regelung der Ausgangsspannung der Transistor der Stufe mit dem jeweils höchsten Potential als Großsignalverstärker arbeitet, während die übrigen eingeschalteten Stufen mit jeweils durchgeschaltetem Transistor die maximale Ausgangsspannung abgeben. Auch hier stört der hohe schaltungstechnische Aufwand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die mit geringem schaltungstechnischen Aufwand bei hoher Regelgenauigkeit und bei gleichzeitig sehr hoher Regeldynamik eine oberschwingungsfreie Spannung wechselnder Polarität erzeugt, wobei die Spannung außerdem sehr genau einer vorgegebenen Führungsgröße folgt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Vorteilhaft fällt bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung der schaltungstechnisch geringe Aufwand ins Gewicht. Anstelle mehrerer Schaltstufen wird ein einfacher Stromrichter eingesetzt. Dieser Stromrichter liefert eine der Regeldynamik und der Regelgenauigkeit bei Stromversorgungsanlagen für Magnete bei Teilchenbeschleunigern genügenden pulsierenden Gleichstrom i _d , der durch den Aktivfilter zum dem gewünschten oberschwingungsfreien Strom ergänzt wird. Dazu werden nur wenige Schaltstufen benötigt, zumal nur halb soviel Stufen mit umschaltbarer Ausgangsspannungspolarität erforderlich sind als Stufen mit nicht umschaltbarer Ausgangsspannungspolarität. Auch kann der sonst am Ausgang des Stromrichters benötigte Glättungskondensator entfallen, so daß die Regeldynamik der Schaltungsanordnung dadurch noch erhöht wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Statt der unipolar ausgebildeten Ausgangssignale der Schaltstufenverstärker sind auch bipolare Signale verwendbar. Auch ist eine Kombination von reihen- und parallelgeschalteten Schaltstufen in einem Schaltstufenverstärker möglich. Ist der Aktivfilter rückspeisefähig, kann eine Rückspeisung der Energie bei einer Spannungsumkehr am Verbraucher sowohl über den Stromrichter als auch über den Filter erfolgen.

Den hier angeführten und im folgenden näher erläuterten Anordnungen zur Erzeugung einer Wechselspannung u _G sind Anordnungen äquivalent, die eine Gleichspannung u _G erzeugen. Der zeitliche Verlauf der Spannung u _G ist in jedem Fall so gewählt, daß die Summe aus den Spannungen _d ,u _∼ und u _G eine geregelte Gleichspannung _d2 ergibt, die entweder höher als u _d (bei gleicher Polarität von u _d und u _G ) oder niedriger (bei entgegengesetzter Polarität von u _d und u _G ) ist.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 den Leistungsteil der erfindungsgemäßen Parallelschaltung eines Stromrichters und zweier Schaltstufenverstärker,

Fig. 2 bis 5 den Leistungsteil von weiteren Ausgestaltungen von parallel zum Stromrichter geschalteten Schaltstufenverstärkern,

Fig. 6 den zeitlichen Verlauf des Stromes durch einzelne Elemente der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und

Fig. 7 den zeitlichen Verlauf der Verbraucherspannung.

Fig. 1 zeigt den Leistungsteil einer erfindungsgemäßen Stromversorgung, die aus einem konventionellen netzgeführten Stromrichter 1 und diesem gleichstromseitig parallelgeschalteten zwei als Aktivfilter 2 S arbeitenden Schaltstufenverstärkern besteht. Die Anordnung ist über Verbindungsleitungen 4 bis 7 mit einer Last 8 verbunden, die in der Regel gemischt ohmisch-induktiv ist.

Der Stromrichter 1 besteht in bekannter Weise aus dreiphasigen Netztransformatoren 11, 12, zwei gesteuerten Dreiphasen-Brückenschaltungen 21, 22 und gleichstromseitig angeordneten Drosselspulen 31, 32.

Das Aktivfilter 2 S besteht aus zwei Schaltstufenverstärkerzweigen 41, 42, . . . 47 sowie 51, 52, . . . 57. Jeder der Schaltstufenverstärker ist über ein Schaltelement 61, 71 aktivierbar. Die Schaltstufenverstärker bestehen aus einzelnen Schaltstufen 41 . . . 47; 51 . . . 57, die miteinander in Reihe geschaltet sind und jeweils durch eine Diode 413, 423, . . . 473; 513, 523, . . . 573 überbrückt sind. Jede Schaltstufe ist aus einer Gleichspannungsquelle 411, 421, . . . 471; 511, 521, . . . 571 und einem mit der Gleichspannungsquelle in Reihe geschalteten, gesteuerten Stromrichterventil 412, 422, . . . 472; 512, 522, . . . 572 gebildet .

Der zeitliche Verlauf der vom Stromrichter 1 gelieferten Spannung u _d ist in Fig. 7 gezeigt. Der zugehörige Strom i _d ist in Fig. 6 dargestellt. Er soll zu einem geglätteten Verlauf entsprechend der Kurvenform i _d2 in Fig. 6 ergänzt werden. Der notwendige ergänzende Strom wird durch die Schaltstufenverstärkerzweige bereitgestellt. Die Schaltstufenverstärkerzweige werden alternierend eingeschaltet und erzeugen so den Strom i _G , der bis auf einen sehr kleinen Restanteil i _V jeweils der momentanen Stromdifferenz zwischen den Strömen i _d2 und i _d gleich ist.

Die Zahl bzw. die Kombination der eingeschalteten Schaltstufen 41, 42, . . . 47 bzw. 51, 52, . . . 57 hängt vom Momentanwert der Verbraucherspannung ab. Um den Quantisierungsfehler infolge der endlichen Zahl der Schaltstufen 41, 42, . . . 47 bzw. 51, 52, . . . 57 auszugleichen, liefert ein in Fig. 1 nicht gezeigter, an sich bekannter, ebenfalls dem Stromrichter 1 parallelgeschalteter Linearverstärker einen zusätzlichen Strom i _V . Der Strom i _V wird dem Strom i _G der Schaltstufenverstärkerzweige hinzugefügt, so daß sich zusammen mit dem Ausgangsstrom i _d des Stromrichters 1 der gewünschte Strom i _d2 gemäß Fig. 6 ergibt.

Der jeweils erforderliche Momentanwert des Stromes i _G ergibt sich aus der Differenz des vom Stromrichter 1 erzeugten Stromes i _d und des geforderten Stromes i _d2. Die Stufe 41 zum Beispiel wird eingeschaltet, indem das Stromrichterventil 412 gezündet wird. In diesem Fall fließt der Strom i _G durch die Spannungsquelle 411 und das Stromrichterventil 412, nicht dagegen durch die Diode 413. Ist umgekehrt das Stromrichterventil 412 nicht gezündet, fließt der Strom i _G über die Diode 413.

Fig. 2 zeigt den Leistungsteil einer weiteren Ausführungsform 2 T des erfindungsgemäßen Aktivfilters. Der Unterschied zu dem in Fig. 1 gezeigten Aktivfilter 2 S besteht darin, daß die Schaltelemente 61, 71 des Aktivfilters 2 T weggefallen sind und stattdessen die Überbrückungsdioden 413, 423, . . . 473 bzw. 513, 523, . . . 573 im Aktivfilter 2 S durch gesteuerte Stromrichterventile ersetzt worden sind, die deren Funktion übernehmen und die insbesondere verhindern, daß ein Kreisstrom im Aktivfilter 2 T fließt.

Fig. 3 zeigt den Leistungsteil einer weiteren Ausführungsform 2 U des erfindungsgemäßen Aktivfilters. In dem Aktivfilter 2 U wird nur ein Schaltstufenverstärkerzweig mit den Schaltstufen 41, 42, . . . 47 benötigt, da die Richtung des Stromes i _G mit einer im Gegentakt arbeitenden Brückenanordnung 60, die aus den vier Schaltelementen 601 bis 604 gebildet ist, umgekehrt werden kann.

Fig. 4 und Fig. 5 zeigen den Leistungsteil weiterer Ausführungsformen 2 V und 2 W des erfindungsgemäßen Aktivfilters. Eine Schaltstufe, zum Beispiel die Schaltstufe 41, besteht hier aus einer Gleichspannungsquelle 417 und sechs gesteuerten Stromrichterventilen 411 bis 416. In Fig. 4 ist die Schaltweise zur Erzielung eines Strom i _G gezeigt. Zu diesem Zweck sind in dem Schaltstufenverstärkerzweig die Stromrichterventile 473 und 474 der Schaltstufe 47, die Stromrichterventile 423 und 425 der Schaltstufe 42 sowie die Stromrichterventile 413 und 414 der Schaltstufe 41 in den leitenden Zustand gesteuert. Damit tragen lediglich die Schaltstufen 41 und 47 einen Beitrag zum Strom i _G , während die Schaltstufe 42 überbrückt ist.

Bei der in Fig. 4 gezeigten Anordnung dienen die Stromrichterventile 415, 416, 425, 426, . . . 475, 476, wenn eingeschaltet, der Überbrückung der jeweiligen Schaltstufe. In gleicher Weise dienen bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 5 die diagonal in den aus den Stromrichterventilen 411 bis 414, 421 bis 424, . . . 471 bis 474 gebildeten Brücken angeordneten Stromrichterventile 415, 416 bzw. 425, 426 bzw. . . . 475, 476 der Überbrückung der einzelnen Schaltstufen 41, 42, . . . 47.

Statt der Linearverstärkerstufe kann mit gleicher Wirkung auch ein Chopper eingesetzt werden.

Claims (12)

1. Schaltungsanordnung zur Erstellung einer variablen, oberschwingungsfreien Gleichspannung aus einer Wechselspannung durch einen gesteuerten Stromrichter und einen diesem gleichspannungsseitig parallelgeschalteten Filter, dadurch gekennzeichnet, daß der Filter als Aktivfilter (2 S, 2 T, 2 U, 2 V, 2 W) ausgebildet ist, der aus mindestens einem Schaltstufenverstärker mit mehreren unabhängig voneinander ansteuerbaren Schaltstufen (41 . . . 47; 51 . . . 57) und/oder einer oder mehreren Linearverstärkerstufen besteht.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weiterer Schaltstufenverstärker gleichstromseitig mit dem Stromrichter (1) in Reihe geschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltstufen (41 . . . 47; 51 . . . 57) miteinander entweder einzeln überbrückbar nur in Reihe oder nur parallel geschaltet sind.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltstufen (41 . . . 47, 51 . . . 57) insgesamt als Schaltverstärker oder insgesamt als Großsignalverstärker in Betrieb sind.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Schaltstufen (41 . . . 47; 51 . . . 57) als Schaltverstärker und der restliche Teil als Kleinsignal- oder Großsignalverstärker in Betrieb ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der Schaltstufenverstärker unipolar mit gleichem oder mit entgegengesetztem Vorzeichen zu den Ausgangssignalen des Stromrichters (1) ausgebildet sind und eine quantisiert oder analog verlaufenden Kurvenform aufweisen.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltstufen (41 . . . 47, 51 . . . 57) eines Schaltstufenverstärkers unabhängig voneinander ein-, aus- und in ihrer Ausgangspolarität umschaltbar sind.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der einzelnen Schaltstufen (41 . . . 47; 51 . . . 57) gleich oder binär gewichtet sind.

9. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der Mehrzahl der Schaltstufen (41 . . . 47; 51 . . . 57) gleich und die Ausgangssignale der übrigen Schaltstufen (41 . . . 47; 51 . . . 57) binär gewichtet sind.

10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltstufenverstärker als solche ein-, aus- und in ihrer Polarität umschaltbar sind.

11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivfilter (2 S, 2 T, 2 U, 2 V, 2 W) rückspeisefähig sind.

12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearverstärker durch Chopper ersetzt sind.