DE3641449A1 - Schaltnetzteil fuer drehstromnetze - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltnetzteil für Drehstromnetze der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Bei bekannten einphasigen oder dreiphasigen Netzteilen dieser Art enthält wegen der unmittelbaren Gleichrichtung der Netzspannung und des nachgeschalteten Ladekondensators der Eingangsstrom einen erheblichen Anteil von Oberwellen. Das Schaltnetzteil saugt weitgehend impulsartige Ströme aus dem Netz und zieht große Einschaltströme, die nur mit relativ aufwendigen Maßnahmen in erträglichen Grenzen gehalten werden können.

Um einen weitgehend sinusförmigen Eingangsstrom in jeder Phase eines Drehstromnetzes zu erreichen, hat man bei einem ebenfalls bekannten dreiphasigen Schaltnetzteil jedem Zweiweggleichrichter in jeder der drei Phasen unmittelbar einen Sperrwandler nachgeschaltet, der bei konstantem Tastgrad oder Tastverhältnis mit einer Schaltfrequenz von 60 kHz betrieben wird. Die Sekundärwicklungen der drei Sperrwandler arbeiten auf einen gemeinsamen Ladekondensator, dessen Ladespannung mittels eines bekannten Schaltreglers auf den Netzteilausgang transformiert wird. Der Schaltregler besteht wie bei dem eingangs angegebenen ein- oder dreiphasigen Schaltnetzteil aus einem geschalteten Übertrager, der bei konstanter Schaltfrequenz mit von der Gleichspannung am Netzteilausgang abhängigem Tastverhältnis oder Tastgrad betrieben wird. Hierzu ist im Primärkreis des Übertragers ein elektronischer Schalter angeordnet, dessen Steuereingang mit einem Impulsbreitenregler verbunden ist, der seinerseits die Gleichspannung am Netzteilausgang erfaßt. Der für alle drei Phasen gemeinsame Ladekondensator muß relativ groß bemessen werden, da ansonsten die zur Regelung der Gleichspannung am Netzausgang erforderliche Tastgradänderung nur relativ langsam zur Netzfrequenz erfolgen darf, um nicht wiederum den Oberwellengehalt in den Eingängsströmen zu erhöhen. Dieser Ladekondensator, dessen Kapazität etwa doppelt so hoch sein muß, wie bei herkömmlichen Schaltnetzteilen, erhöht das Bauvolumen und die Herstellungskosten erheblich. Hinzu kommt der Volumen- und Kostenaufwand für die drei zusätzlichen Sperrwandler.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schaltnetzteil der eingangs genannten Art zu schaffen, das sich gegenüber dem Dreiphasennetz weitgehend wie ein ohmscher Widerstand verhält und dabei mit verringertem Schaltungsaufwand auskommt, somit ein geringeres Bauvolumen und niedrigere Herstellungskosten hat.

Die Aufgabe ist bei einem Schaltnetzteil für Drehstromnetze der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Schaltnetzteil entfällt jeglicher Speicherkondensator und somit alle damit einhergehenden elektrischen und mechanischen Nachteile. Der Leistungsfaktor cos ϕ des Schaltnetzteils liegt nahe 1, d. h. das Schaltnetzteil verhält sich wie ein ohmscher Widerstand und zieht bei sinusförmiger Netzspannung einen sinusförmigen Strom in allen drei Netzphasen. Der Eingangsstrom läßt sich mittels des Impulsbreitenreglers begrenzen und auch sanft anfahren. Da das Schaltnetzteil bei konstanter Last dem Drehstromnetz eine konstante Energiemenge entnimmt, steigt bei Spannungseinbrüchen der Eingangsstrom entsprechend an. Bei Netzspannungsausfall wird zunächst der sehr kleine Glättungskondensator am Netzteilausgang geleert, wonach dann die Ausgangsspannung absinkt. Kurzschlußströme lassen sich durch bekannte Mittel begrenzen oder können durch Abschalten des Schaltnetzteiles beherrscht werden. Das erfindungsgemäße Schaltnetzteil läßt sich mit den beschriebenen Vorteilen an allen Drehstromnetzen mit einer Netzfrequenz zwischen 16 Hz und 1 kHz verwenden.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schaltnetzteils mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergibt sich aus Anspruch 2.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Dabei zeigt die Zeichnung ein Schaltbild eines Schaltnetzteiles für ein Drehstromnetz.

Das in der Zeichnung im Schaltbild dargestellte dreiphasige Schaltnetzteil weist einen dreiphasigen Netzteileingang auf, dessen Anschlüsse pro Phase mit 10, 11 und 12 bezeichnet sind. Unmittelbar hinter dem Netzteileingang wird pro Netzphase eine Zweiweggleichrichtung durchgeführt, wozu drei Zweiweg-Brückengleichrichter 13, 14, 15 vorgesehen sind, die mit ihrer einen Eingangsklemme unmittelbar mit dem zugeordneten Anschluß 10, 11, 12 verbunden sind, während die drei anderen Eingangsklemmen zu einem Sternpunkt 16 zusammengeschaltet sind. Jeder Zweiweg-Brückengleichrichter 13, 14, 15 wird von vier Gleichrichterdioden 17 in Brückenschaltung gebildet.

Am Ausgang der Zweiweg-Brückengleichrichter 13, 14, 15 ist jeweils ein geschalteter Übertrager 18, 19 bzw. 20 angeschlossen, dessen Primärwicklung mit 181, 191 bzw. 201 und dessen Sekundärwicklung mit 182, 192 bzw. 202 bezeichnet ist. Die Primärwicklungen 181, 191 und 201 liegen dabei in Reihe mit jeweils einem elektronischen Schalter 21, 22 bzw. 23 im Diagonalzweig der Brückenschaltungen. Die Sekundärwicklungen 182, 192 und 202 sind unter Zwischenschaltung jeweils einer Diode 24, 25 bzw. 26 parallel an dem Netzteilausgang 27 angeschlossen. Dem Netzteilausgang 27 ist noch ein kleiner Glättungskondensator 28 parallelgeschaltet. Am Netzteilausgang 27 ist eine geglättete Versorgungsgleichspannung abnehmbar.

An dem Netzteilausgang 27 ist ein Impulsbreitenregler 29 angeschlossen, der eine Schaltimpulsfolge mit einer konstanten Impulsfolgefrequenz f _S und mit einem von der Versorgungsgleichspannung am Netzteilausgang 28 abhängigen Tastverhältnis oder Tastgrad generiert. Die Impulsfolgefrequenz f _S ist sehr viel größer als die Netzfrequenz und beträgt beispielsweise 40 kHz. Ein möglicher Aufbau des Impulsbreitenreglers einschließlich seiner Funktion ist in dem Aufsatz von D. Chambers und Dee Wang "Dynamic power-factor correction cuts switcher input-current drain", EDN, 20. Februar 1980, Seiten 119 bis 123 (vgl. dort Fig. 7) beschrieben. Der Ausgang des Impulsbreitenreglers 29 ist mit jedem Steuereingang der elektronischen Schalter 21 bis 23 verbunden, so daß an den drei elektronischen Schaltern 21 bis 23 die identische Steuerimpulsfolge liegt. Die elektronischen Schalter 21 bis 23 sind vorzugsweise als Schalttransistoren, z. B. MOS-FET ausgebildet.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So können die drei Zweiweg-Brückengleichrichter anstelle von vier Gleichrichterdioden zwei Dioden und zwei elektronische Schalter in Brückenschaltung enthalten, wobei die jeweils in Reihe mit den Primärwicklungen der drei Übertrager geschalteten Schalttransistoren entfallen. Jeweils eine Diode und ein elektronischer Schalter liegen in gegenüberliegenden Zweigen der Brückenschaltung, während die Primärwicklung des jeweiligen Übertragers im Diagonalzweig der Brückenschaltung angeordnet ist. Die Ansteuerung der elektronischen Schalter erfolgt wiederum durch die Schaltimpulsfolge des Impulsbreitenreglers, wobei die beiden elektronischen Schalter wechselweise im Takte der Netzfrequenz angesteuert werden. Hierzu ist die Ansteuerung mit der Netzphase zu synchronisieren, so daß während jeder positiven Halbwelle der Phasenspannung nur der eine elektronische Schalter und während jeder negativen Halbwelle der Phasenspannung nur der andere elektronische Schalter in der Brückenschaltung von der Schaltimpulsfolge durchgeschaltet werden kann.

Des weiteren ist es nicht erforderlich, daß die Zweiweg-Brückengleichrichter jeweils zwischen dem Sternpunkt und einem Anschluß des dreiphasigen Netzteileingangs angeschlossen sind. Sie können auch in Dreieck geschaltet werden und somit mit ihren beiden Eingangsklemmen an jeweils aufeinanderfolgenden Anschlüssen des dreiphasigen Netzteileingangs liegen.

Claims (2)

1. Schaltnetzteil für Drehstromnetze mit einem am Drehstromnetz anzuschließenden dreiphasigen Netzteileingang mit unmittelbar nachgeschalteter Zweiweggleichrichtung pro Netzphase, mit einem Netzteilausgang zum Abnehmen einer Versorgungsgleichspannung und mit einem Impulsbreitenregler zur Erzeugung einer Schaltimpulsfolge mit einer konstanten, gegenüber der Netzfrequenz sehr viel größeren Impulsfolgefrequenz und einem von der Versorgungsgleichspannung am Netzteilausgang abhängigen Tastgrad, dadurch gekennzeichnet, daß pro Netzphase ein geschalteter Übertrager (18, 19, 20) mit Primär- und Sekundärwicklung (181, 191, 201, 182, 192, 202) vorgesehen ist, auf dessen Primärwicklung (181, 191, 201) die ungeglättete Gleichrichtungs-Ausgangs-Spannung mittels mindestens eines im Primärkreis eingeschalteten elektronischen Schalters (21, 22, 23) unmittelbar aufgeschaltet wird, daß die Sekundärwicklungen (182, 192, 202) der drei Übertrager (18, 19, 20) parallel zueinander an dem Netzteilausgang (27) angeschlossen sind, dem vorzugsweise ein Ausgangskondensator (28) parallelgeschaltet ist, und daß die Steuereingänge der mindestens drei elektronischen Schalter (21, 22, 23) mit der Schaltimpulsfolge belegt sind.

2. Schaltnetzteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zweiweggleichrichtung jeweils eine Brückenschaltung (13, 14, 15) aus vier Gleichrichterdioden (17) vorgesehen ist, in deren Diagonalzweig die Reihenschaltung aus Primärwicklung (181, 191, 201) des Übertragers (18, 19, 20) und dem elektronischen Schalter (21, 22, 23) liegt.