DE3730294A1

DE3730294A1 - Gleichstromquelle

Info

Publication number: DE3730294A1
Application number: DE19873730294
Authority: DE
Inventors: Yukio Watanabe
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-09-12
Filing date: 1987-09-10
Publication date: 1988-03-24
Also published as: US4825141A; DE3730294C2; JPS6370314A

Description

Die Erfindung betrifft eine Gleichstromquelle gemäß Ober begriff des Patentanspruchs 1 und insbesondere eine Gleich stromquelle für reaktive Lasten, die einen sehr genau geregelten Gleichstrom erfordern.

Beschleuniger für Elektronen, Protonen und andere Teilchen werden in der Hochenergiephysik zu Forschungszwecken eingesetzt. Bei diesen Beschleunigern verwendet man Elektro magnete zur Führung der Elektronen und Protonen, wobei diese Elektromagnete durch den Strom in ihren Spulen gesteuert werden. Dieser Spulenstrom muß schnell verändert werden können und hochgenau regelbar sein.

Bei bekannten Magnetspulen für die erwähnten Beschleuniger wird der Strom von einer Gleichstromquelle zugeführt und durch einen Transistor gesteuert, und zwar in Abhängig keit von dem gemessenen Spulenstrom und dem verlangten zeitabhängigen Strom.

Die Spannung V an der Magnetspule wird folgendermaßen bestimmt:

V =L (di/dt) + Ri

worin L der induktive Widerstand und R der ohmsche Wider stand sind. Der Strom ist mit i bezeichnet und t steht für die Zeit.

Es sei angenommen, der Strom i steige schnell von 0 auf einen positiven Wert zwischen einer Zeit t=0 bis t=t 1 und nehme schnell wieder auf 0 ab in einem Zeitraum zwischen t=t 1 bis t=t 2, wie dies in Fig. 2(a) darge stellt ist. Wenn der Strom i ansteigt, wird di/dt positiv und damit wird auch V positiv, was bedeutet, daß V und i die gleiche Richtung haben. Nimmt der Strom i jedoch schnell ab, dann wird di/dt in negativer Richtung groß und V wird negativ, was bedeutet, daß die Spannung und der Strom entgegengesetzte Richtung haben.

Der Strom i kann durch einen Transistor gesteuert werden. Die Spannung am Ausgang der Gleichstromquelle wird um die Kollektor-Emitter-Spannung V _CE des Transistors vermin dert an die Spule gelegt. Bei dieser Steuerung geht jedoch die Leistung V _CE i im Transistor verloren. Die Spannung V _CE wird dann besonders groß und damit der Leistungsver lust im Transistor, wenn der Strom abnimmt. Daher müssen die Abmessungen des Transistors hinreichend groß sein, um die durch den großen Leistungsverlust auftretende Wärme abzuführen, was zu teuren Stromversorgungsgeräten führt.

Die JP-OS 59-91 520 beschreibt ein Gleichstromgerät für Magnetspulen der erwähnten Art. Es hat zwar eine gute Charakteristik für den ansteigenden Stromzweig, wenn der Strom jedoch abnimmt, läßt sich keine schnelle und genaue Steuerung erreichen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Gleichstrom-Netzgerät zu schaffen, das für eine reaktive Last sehr genaue, schnell ansteigende und abnehmende Ströme liefern kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.

Es ist ferner Ziel der Erfindung, ein Verfahren für das Zuführen von Gleichstrom zu einer reaktiven Last zu schaf fen, der schnell ansteigt und abfällt und sehr genau regelbar ist.

Das erfindungsgemäße Strom-Netzgerät weist folgende Elemen te auf: Eine Gleichstromquelle; eine in Reihe mit der Stromquelle geschaltete Gleichspannungsquelle; Mittel zum Messen des Stroms in der Last; Mittel zum Steuern der Stromquelle derart, daß der gemessene Strom einem vorgegebenen Strom nahekommt; Mittel zum Messen der Aus gangsspannung der Stromquelle; und Mittel zum Steuern der Spannungsquelle in der Weise, daß die gemessene Aus gangsspannung der Spannungsquelle einer vorgegebenen Spannung nahekommt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Zuführen einer Gleich spannung an eine Last weist die Schritte auf: Messen des Stroms in der Last; Steuern einer Stromquelle, die an die Last für die Stromzufuhr derart angeschlossen ist, daß der gemessene Strom in der Last einem vorgegebe nen Strom nahekommt; Messen der Ausgangsspannung der Stromquelle; und Steuern einer Spannungsquelle, die mit der Stromquelle in Reihe geschaltet ist, und zwar in der Weise, daß die Ausgangsspannung der Stromquelle einer vorgegebenen Spannung nahekommt.

Das erfindungsgemäße Gleichspannungs-Netzgerät weist außerdem auf: Eine Gleichstromquelle; eine mit der Gleich stromquelle in Reihe geschaltete Gleichspannungsquelle;, Mittel zum Messen des Stroms in der Last; Mittel zum Steuern der Stromquelle und der Spannungsquelle in der Weise, daß der gemessene Strom einem vorgegebenen Strom nahekommt; und Mittel zum Schalten der Spannungspolarität der Spannungsquelle gegenüber der Stromquelle in der Weise, daß die Spannungsquelle mit der Stromquelle in positiver Richtung verbunden ist, wenn der vorgegebene Strom ansteigt, und in negativer Richtung, wenn der vorge gebene Strom abnimmt.

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung folgen aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Figurenbe schreibung.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 ein Schemaschaltbild des Ausführungsbeispiels; Fig. 2(a) den Zeitverlauf des Stroms in der Last; und

Fig. 2(b) die Zustandsveränderungen von Schaltern 22 und 24 des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 in Abhängigkeit von den Stromveränderungen gemäß Fig. 2(a).

In Fig. 1 ist eine reaktive Last 10 mit einem Widerstand 12 und einer Induktivität 14 dargestellt, die in Reihe liegen. Als Last kommt beispielsweise eine elektromagne tische Spule für einen Teilchenbeschleunigter in Frage.

Eine Gleichstromquelle 16 und eine Polaritätsschaltein heit 18 liegen mit der Last 10 in Reihe. Eine Gleichspan nungsquelle 20 ist an die Polaritätsschalteinheit 18 angeschlossen. Die Polaritätsschalteinheit 18 weist zwei Schalter 22 und 24 sowie zwei Dioden 26 und 28 auf. Wenn die beide Schalter 22 und 24 durchgesteuert sind, dann ist die Spannungsquelle 20 mit der Stromquelle 16 in positiver Richtung in Reihe geschaltet und Stromfluß durch die Dioden 26 und 28 wird verhindert, da diese durch die Spannung entgegengesetzt vorgespannt sind. Damit fließt der Strom von der Stromquelle 16 zur Last 10 durch den Schalter 24, die Spannungsquelle 20 (in positiver Richtung) und durch den Schalter 22 in der genannten Reihenfolge, wie dies durch die voll ausgezogenen Pfeile angedeutet ist. Die Spannungen der Stromquelle 16 und der Spannungsquelle 20 addieren sich und die Gesamt spannung liegt an der Last 10.

Werden die Schalter 22 und 24 deaktiviert oder aufgemacht, dann liegen die Stromquelle 16 und die Spannungsquelle 20 in negativer Richtung in Reihe und es wird die Spannung der Stromquelle 16 minus der Spannung der Spannungsquelle 20 an die Last 10 gelegt. In diesem Fall fließt der von der Stromquelle 16 zur Last 10 fließende Strom durch die Diode 26, durch die Spannungsquelle 20 in negativer Richtung und durch die Diode 28, und zwar in dieser Reihen folge, wie sie durch die gestrichelten Pfeile in Fig. 1 angedeutet ist.

Es ist für den Fachmann klar, daß die Schalter 22 und 24 Relais, Leistungstransistoren oder ähnliche Bauelemente sein können.

Ein Stromdetektor 30 ist so angeordnet, daß er den Strom in der Last 10 messen kann. Ein Stromeinsteller 32 erzeugt ein zeitabhängiges Signal, welches den für die Last 10 geforderten Strom angibt. Die den geforderten Strom und den gemessenen Strom angebenden Signale werden in einer Stromsteuerungseinheit 34 verglichen. Die Stromsteuerungs einheit 34 steuert die Stromquelle 16 in der Weise, daß die Differenz zwischen dem geforderten Strom und dem gemessenen Strom minimal wird.

Die Stromquelle 16 hat eine hohe Genauigkeit von ±1 ×10^-2 % bis ±1×10^-4 % und einen schmalen Bereich an Ausgangsspannung und sie weist eine Konstantgleichspannungs quelle 36, einen NPN Transistor 38 und eine Diode 40 auf. Die Spannungsquelle 20 hat eine vergleichsweise geringe Genauigkeit von mehr als ±1×10^-1 % und einen großen Bereich an Ausgangsspannung.

Ein Spannungsdetektor 42 ist so angeordnet, daß er die Ausgangsspannung der Stromquelle 16 messen kann. Die gemessene Spannung wird in einer Spannungssteuerung 44 mit einem konstanten vorgegebenen Standardwert verglichen, der von einem Spannungseinsteller 46 eingestellt wird.

Die Spannungssteuerung 44 steuert die Spannungsquelle 20 derart, daß die Differenz zwischen der vorgegebenen Spannung und der gemessenen Spannung minimiert wird.

Die Schalteinheit 18 wird von einer Schaltersteuerung 48 gesteuert. Wenn der in der Stromeinstellung 32 einge stellte vorgegebene Strom ansteigt, dann sind die Schalter 22 und 24 durchgesteuert oder geschlossen und die Spannungs quelle 20 ist in positiver Richtung mit der Stromquelle 16 verbunden. Wenn der vom Stromeinsteller 32 eingestellte geforderte Strom abnimmt, dann sind die Schalter 22 und 24 gesperrt oder offen und die Spannungsquelle 20 ist in negativer Richtung mit der Stromquelle 16 verbunden.

Fig. 2(a) zeigt, daß der geforderte Strom von 0 während der Zeit t=0 bis t=t 1 ansteigt und während der Zeit t=t 1 bis t=t 2 auf 0 abfällt. Die Schalter 22 und 24 sind während der Zeit t=0 bis t=t 1 geschlossen oder durchgesteuert und gemäß Fig. 2(b) nach t=t 1 qesperrt oder offen.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann die erforder liche maximale Ausgangsspannung der Stromquelle 16 klein sein, da die Spannungsquelle 20 einen großen Bereich an Ausgangsspannung hat und derart geregelt ist, daß die Ausgangsspannung der Stromquelle 16 annähernd konstant wird. Durch die Schalteinheit 18 wird ferner die maximale Ausgangsspannung der Stromquelle 16 unabhängig davon minimiert, ob der Strom ansteigt oder abfällt. Daher kann die Kollektor-Emitterspannung des Transistors 38 in einem kleinen Bereich gehalten werden, so daß die Stromquelle 16 sehr genau gesteuert wird und damit kompakt und billig sein kann. Da andererseits die die Spannungs quelle 20 nur zur Grobsteuerung herangezogen wird, ist eine genaue Steuerung nicht erforderlich und sie kann daher ebenfalls billig sein. Auf diese Weise ergibt die Kombination der Stromquelle 16 mit der Spannungsquelle 20 und der Schalteinheit 18 eine billige, sehr genau regelbare Stromquelle sowohl für ansteigenden, als auch für abfallenden Strom.

Claims

1. Vorrichtung für das Zuführen von Gleichstrom zu einer Last, gekennzeichnet durch:

- eine Gleichstromquelle (16);
- eine Gleichspannungsquelle (20), die mit der Gleich stromquelle (16) in Reihe liegt;
- Mittel (30, 34) zum Messen des Stroms in der Last (10);
- Mittel (34) zum Steuern der Gleichstromquelle (16) derart, daß der gemessene Strom einem vorgegebenen Strom nahekommt;
- Mittel (42) zum Messen der Ausgangsspannung der Gleichstromquelle (46); und durch
- Mittel (44) zum Steuern der Gleichspannungsquelle (20) derart, daß die gemessene Ausgangsspannung der Gleichstromquelle (16) einem vorgegebenen Wert nahekommt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromquelle (16) einen schmaleren Bereich an Ausgangsspannung als die Gleichspannungsquelle (20) hat.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein Schaltmittel (18) zum Umschalten der Span nungspolarität der Gleichspannungsquelle (20) gegenüber der Gleichstromquelle (16) in der Weise, daß die Gleichspannungsquelle (20) mit der Gleichstromquelle (16) in positiver Richtung verbunden ist, wenn der verlangte Strom ansteigt, und in negativer Richtung, wenn der verlangte Strom abnimmt.

4. Verfahren zum Zuführen von Gleichstromleistung zu einer Last, gekennzeichnet durch die Schritte:

- Messen des Stroms in der Last;
- Regeln einer Stromquelle, die für die Zufuhr von Strom an die Last derart angeschlossen ist, daß der gemessene Strom in der Last einem verlangten Strom nahekommt;
- Messen der Ausgangsspannung der Stromquelle; und
- Regeln einer Spannungsquelle, die mit der Stromquelle in Reihe liegt, in der Weise, daß die Ausgangsspan nung der Stromquelle einer vorgegebenen Spannung nahekommt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungspolarität der Spannungsquelle gegen über der Stromquelle derart umgeschaltet wird, daß die Spannungsquelle mit der Stromquelle in positiver Richtung verbunden ist, wenn der verlangte Strom ansteigt, und in negativer Richtung, wenn der verlangte Strom abfällt.