DE4035132C2

DE4035132C2 -

Info

Publication number: DE4035132C2
Application number: DE19904035132
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. 7527 Kraichtal De Bahm
Original assignee: Doduco and Co Dr Eugen Duerrwaechter 7530 Pforzheim De GmbH
Current assignee: Doduco and Co Dr Eugen Duerrwaechter 7530 Pforzheim De GmbH
Priority date: 1990-11-06
Filing date: 1990-11-06
Publication date: 1993-07-08
Also published as: DE4035132A1

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren mit den im Ober begriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen (JP 62-2 13 572(A)).

Es ist bekannt, einen Kondensator aus einer Gleichstrom quelle über einen Spannungswandler mit Gleichstromimpulsen aufzuladen. Bei konstanter Impulsfrequenz werden solange Gleichstromimpulse von untereinander gleicher Amplitude und Länge (Ladeimpulse) in den Kondensator übertragen, bis dessen Spannung eine vorgegebene Soll-Spannung erreicht oder überschritten hat. Die Ladegeschwindigkeit ist umso höher, je größer die von den Ladeimpulsen transportierte Ladung ist. Die Soll-Spannung wird aber umso genauer erreicht, je kleiner die Ladeimpulse sind. Daraus ergeben sich widersprüchliche Anforderungen an die Größe der Ladeimpulse: Mit großer Ladeimpulsen wird die Soll-Spannung rasch, aber nicht genau erreicht; mit kleinen Ladeimpulsen wird die Soll-Spannung genau, aber nicht rasch erreicht.

Um dieser Zwickmühle zu entgehen, könnte man daran denken, die Frequenz der Ladeimpulse zu erhöhen; diese ist jedoch durch die praktisch zur Verfügung stehenden schnellen Schalter limitiert. Es ist Stand der Technik, Kondensatoren mit Hilfe von Tyristor schaltungen aufzuladen. Damit erreicht man gegenwärtig mit ver tretbarem Aufwand Schaltfrequenzen von 20 kHz. Höhere Schalt frequenzen und damit Ladefrequenzen sind zwar prinzipiell mög lich, erfordern jedoch einen enormen technischen Aufwand, so daß höhere Ladegeschwindigkeiten aus Gründen der Wirtschaft lichkeit bisher nicht angewendet werden.

Aus der DE-OS-23 52 164 ist es bereits bekannt, einen Kondensator zunächst mit längeren Ladeimpulsen und - wenn die Ladespannung einen Schwellwert überschreitet - mit schneller aufeinanderfolgenden kürzeren Ladeimpulsen zu laden. Wie der Schwellwert ausgewählt wird, ist dabei nicht gesagt, der Schwellwert und die Länge der Ladeimpulse liegen fest.

Aus der JP-62-2 13 572 (A) in Patents Abstract of Japan, Sect E, Vol. 12, 1988, Nr. 72 (E-588) ist es bekannt, die Länge der Ladeimpulse mit Hilfe eines Impulsbreitenmodulators zu steuern, welcher seinerseits durch eine Steuerschaltung in Abhängigkeit von der Ladespannung des Kondensators gesteuert wird. Das hat zur Folge, daß die Ladeimpulse mit Annäherung an die vorgegebene Ladespannung immer kürzer werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ins besondere für Hochspannungs-Ladegeräte geeignetes Verfahren zum Laden eines Kondensators anzugeben, welches mit vertretbarem Aufwand ein noch rascheres Laden des Kondensators auf eine genau vorgegebene Soll-Spannung ermöglichts.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den im An spruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Erfindungsgemäß erfolgt das Laden des Kondensators nicht aus schließlich mit untereinander gleichen Ladeimpulsen. Vielmehr wird zunächst aus einem Vergleich der Ist-Spannung mit der Soll-Spannung das Spannungsdefizit und damit der Ladungsbe darf ermittelt. Aus dem ermittelten Ladungsbedarf wird be rechnet, wie viele Ladeimpulse von vorgegebener Größe man benötigt, um die Sollspannung gerade noch nicht zu erreichen. Dann wird der Kondensator mit der ermittelten Anzahl der Lade impulse geladen. Damit das Laden möglichst rasch erfolgt, verwendet man möglichst große Ladeimpulse, die größten, die das verwendete Ladegerät hergibt. Der Kondensator hat danach eine Ist-Spannung, die so dicht unterhalb der Soll-Spannung liegt, daß ein weiterer gleicher Ladeimpuls die Spannung des Kondensators über die Sollspannung hinaus erhöhen würde. Damit das nicht geschieht, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die noch fehlende Ladung des Kondensators durch einen oder allenfalls durch wenige Ladeimpulse erbracht wird, die zwar in der Amplitude mit den vorherigen Ladeimpulsen übereinstimmen, aber kürzer sind und deren Länge aus einem Vergleich von Soll- und Ist-Spannung so bestimmt wird, daß mit ihnen die Soll-Spannung des Kondensators gerade erreicht wird.

Der Kondensator wird also zunächst in großen Schritten rasch bis nahezu auf seine Soll-Spannung aufgeladen und dann mit kürzeren Ladeimpulsen, vorzugsweise mit nur einem einzigen Ladeimpuls recht genau auf seine Soll-Spannung gebracht. Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet also rasch und genau. Der apparative Aufwand zur Durchführung des Verfahrens ist dabei nicht nennenswert größer als beim Stand der Technik: Man benötigt hier wie dort eine gepulste Gleichstromquelle und eine Meßeinrichtung für den Vergleich der Soll-Spannung des Kondensators mit seiner Ist-Spannung. Darüber hinaus be nötigt man erfindungsgemäß eine Rechenschaltung, welche aus der Spannungsmeßeinrichtung gelieferten Spannungsdifferenz unter Berücksichtigung der Kapazität des Kondensators die be nötigte Anzahl der langen Ladeimpulse sowie die Anzahl und/oder die Länge der restlichen kürzeren Ladeimpulse bestimmt und die gepulste Gleichstromquelle entsprechend steuert. Diese zusätz liche Aufgabe kann von einem Microcontroller übernommen werden, bei dem es sich um ein preiswertes Bauelement handelt.

Die Erfindung funktioniert selbst dann, wenn die Kapazität des zu ladenden Kondensators nicht bekannt oder - aus welchen Gründen auch immer, z. B. durch Alterung - Änderungen unterworfen ist, denn der Kondensator wird erfindungsgemäß zu Beginn des Ladevorganges mit einem definierten kurzen Impuls (Testimpuls), dessen zeitliches Stromstärkeintegral bekannt ist, beaufschlagt. Aus der Spannungserhöhung, die der Testimpuls am Kondensator bewirkt, kann man die Kapazität des Kondensators bestimmen. Wenn gewünscht, kann die Kapazität auch angezeigt werden. Für die Durchführung des Ladevorganges muß die Kapazität aber nicht zahlenmäßig bestimmt werden. Aus der Spannungserhöhung, die der Testimpuls bewirkt, kann jedoch direkt errechnet werden, wie viele Ladeimpulse von gleicher Amplitude und bekannter Länge benötigt werden, um den Kondensator auf eine Soll-Spannung zu laden.

Aus dem zu Beginn des Ladevorgangs durchgeführten Vergleich von Soll- und Ist-Spannung kann man auch gleich die Zahl und/ oder die Länge der den Ladevorgang abschließenden kürzeren Lade impulse bestimmen; vorzugsweise bestimmt man zunächst jedoch nur die Zahl der gleichen, langen Ladeimpulse und führt nach dem letzten der langen Ladeimpulse einen weiteren Vergleich von Soll- und Ist-Spannung des Kondensators durch, aus wel chem dann die Zahl und/oder Länge der restlichen kürzeren Ladeimpulse bestimmt wird. Auf diese Weise erreicht man mit größerer Sicherheit und geringerer Abweichung die Sollspannung des Kondensators.

Gewöhnlich haben Kondensatoren eine kleine, wenn auch geringe Leckage, welche zu einem allmählichen Absinken der Spannung führt. Eine solche Leckage kann durch einen fortgesetzten Vergleich von Soll-Spannung und Ist-Spannung ermittelt und durch Nachladen mit kurzen Ladeimpulsen, insbesondere mit den Testimpulsen, ausgeglichen werden. Die zu diesem Zweck immer wieder durchlaufene Regelschleife erfaßt auch gewollte Kondensatorentladungen und leitet auch dabei die gepulste Kondensatoraufladung ein.

In einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können Testimpulse auch dazu herangezogen werden, den Ladezustand des Kondensators zwischen einzelnen längeren Ladeimpulsen, ja sogar nach jedem einzelnen Ladeimpuls zu überprüfen, wenn es auf besonders hohe Genauigkeitsan forderungen ankommt.

Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfin dungsgemäßen Verfahrens können die Testimpulse auch dazu herangezogen werden, Fehlfunktionen des Kondensators bzw. des Stromkreises, in welchem der Kondensator liegt, zu entdecken, insbesondere einen Kurzschluß oder einen Leer lauf in dem Stromkreis, aber auch ungewöhnliche Abweichungen von der Soll-Kapazität des Kondensators. Man erreicht eine entsprechende Kontrolle dadurch, daß man die Erhöhung der Spannung des Kondensators infolge eines Testimpulses oder eines definierten Ladeimpulses mit einem vorgegebenen Kon trollwert vergleicht, der für korrekte Funktion zutrifft. Stellt die Spannungsmeßeinrichtung eine Abweichung fest und übersteigt diese einen vorgegebenen Grenzwert, kann dieses signalisiert werden, um auf die Fehlfunktion aufmerksam zu machen.

Im Rahmen der gewählten Zeitbasis (Taktgenerator) kann die Länge der Ladeimpulse beliebig eingestellt werden. Vorzugs weise ist vorgesehen, die Länge der Ladeimpulse zwischen einer vorgegebenen kleinsten Länge und einer vorgegebenen größten Länge in den durch den Takt des Taktgenerators des Rechners (z. B. 2 MHz) gegebenen Schritten zu staffeln. Eine solche Staffelung kommt einer digital arbeitenden Steuer schaltung entgegen. Als langen Ladeimpuls, mit welchem der Kondensator rasch bis knapp unterhalb seiner Soll-Spannung geladen wird, wählt man in diesem Fall den längsten ver fügbaren Ladeimpuls, als Testimpuls den kürzesten verfüg baren Ladeimpuls.

Eine zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vor stehenden Ansprüche geeignete Schaltungsanordnung ist Gegen stand des Anspruchs 9. Sie umfaßt außer den erforderlichen Anschlüssen für den zu ladenden Kondensator, einer gepulsten Gleichstromquelle, einem Spannungsmesser zur Messung der Spannung des Kondensators und einer Spannungsmeßeinrichtung für den Vergleich der Soll-Spannung des Kondensators mit sei ner Ist-Spannung einen Impulsbreitenmodulator, der die Dauer der von der Gleichstromquelle gelieferten Ladeimpulse bestimmt. Außerdem ist eine Rechenschaltung vorgesehen, welche den Im pulsbreitenmodulator steuert. Der Rechenschaltung wird das Aus gangssignal der Spannungsmeßeinrichtung zugeführt und sie be rechnet daraus unter Berücksichtigung der Kapazität des Konden sators die Anzahl und Dauer der Ladeimpulse so, daß bei vor gegebenem Takt der gepulsten Gleichstromquelle die zum Errei chen der vorgegebenen Soll-Spannung des Kondensators erforder liche Zahl der Ladeimpulse ein Minimum wird.

Die Rechenschaltung ist vorzugsweise ein Microcontroller, wel cher den Vergleich der Soll-Spannung und der Ist-Spannung soft waremäßig durchführt.

Der Impulsbreitenmodulator enthält als schnellen Schalter am besten einen bipolaren Transistor mit isoliertem Gate (IGBT); der IGBT ist ein Transistor mit den vorteilhaften Eigenschaften eines bipolaren Leistungstransistors und eines selbstsperrenden Feldeffekttransistors und eignet sich zum Schalten hoher elektrischer Leistungen unter Hochspannung.

Gegenüber der bekannten Verwendung einer Tyristorschaltung hat die Verwendung eines IGBT den Vorteil, daß die Steue rung nahezu leistungslos erfolgen kann und daß dieser Tran sistor im Gegensatz zu einem Thyristor praktisch zu jedem Zeitpunkt abschaltbar ist.

Der weiteren Erläuterung der Erfindung dienen die beige fügten Zeichnungen.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltungsan ordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und

Fig. 2 zeigt ein Diagramm, in welchem übereinander der Spannungsverlauf am Kondensator während des Ladevorganges und die Ladeimpulse dargestellt sind.

Die Schaltungsanordnung enthält eine gepulste Gleichstrom quelle 1, deren Impulse durch einen Spannungswandler 2, in ihrer Spannung erhöht werden. Bei dem Spannungswandler 2 kann es sich um eine Anordnung aus einer Brückenschaltung, einem durch sie angesteuerten Transformator und einer auf dessen Sekundärseite liegenden Hochspannungskaskase handeln. Die vom Spannungswandler 2 abgegebenen Impulse (Ladeimpulse) werden einem Kondensator 3 zugeführt. Zur Bestimmung des Ladezustandes des Kondensators wird die Ist-Spannung des Kondensators 3 einem Spannungsteiler 5 zugeführt und ge teilt.

Das Ausgangssignal des Spannungsteilers 5 wird nach galvani scher Trennung mittels eines Trennverstärkers 6 einem Ana log-Digital-Wandler 7 zugeführt, darin digitalisiert und einem Microcontrollers 9 zugeführt. Im Microcontroller 9 ist anderer seits aus einer Referenzschaltung 10 ein Referenzsignal ge bildet, welches die Soll-Spannung des Kondensators 3 darstellt. Der Microcontroller steuert einen Impulsbreitenmodulator 11, welcher die Impulsdauer der von der gepulsten Gleichstrom quelle 1 abgegebenen Impulse bestimmt.

Die Schaltung arbeitet folgendermaßen:

Wenn der Kondensator 3 ganz oder teilweise entladen worden ist, stellt dies der Microcontroller 9 fest, in welchem die Soll- Spannung mit der Ist-Spannung verglichen wird. Der Micro controller 9 steuert daraufhin den Impulsbreitenmodulator 11 so an, daß ein erster Testimpuls, das ist ein Impuls mit der kleinsten zur Verfügung stehenden Impulslänge abgegeben wird (Zeitpunkt t1 in Fig. 2). Daraufhin ändert sich der Ladezu stand des Kondensators 3, der wiederum dem Microcontroller mit geteilt und darin mit der Soll-Spannung des Kondensators 3 ver glichen wird. Aus der Spannungserhöhung, die der Testimpuls bewirkt hat, errechnet der Microcontroller 9, wieviele Lade impulse mit der größten verfügbaren Impulslänge benötigt wer den, um den Kondensator 3 bis dicht unterhalb seiner Soll- Spannung zu laden. "Dicht unterhalb seiner Soll-Spannung" soll heißen, daß mit einem weiteren Ladeimpuls mit maximaler Dauer die Soll-Spannung überschritten würde.

Der Kondensator 3 wird dann mit der ermittelten Anzahl der Ladeimpulse, welche im vorgegebenen Takt der gepulsten Gleichstromquelle erscheinen, geladen. In der Fig. 2 ist das der Zeitraum von t2 bis t3. Es folgt dann zum Zeit punkt t3 ein letzter Ladeimpuls 12, dessen Dauer so be messen ist, daß mit ihm die Sollspannung erreicht wird. Die Dauer des letzten Ladeimpulses 12 kann vom Microcontroller 9 bereits aus der Änderung des Ladezustandes des Konden sators infolge des Testimpulses zum Zeitpunkt t1 ermittelt werden. Es wäre auch möglich, zwischen den Zeitpunkten t3 und dem letzten Ladeimpuls einen weiteren Testimpuls vorzu sehen und aus der Änderung des Ladezustandes des Kondensators aufgrund dieses zweiten Testimpulses die Dauer des letzten Ladeimpulses 12 zu berechnen.

Kommt es zum Zeitpunkt t4 zu einer teilweisen oder ganzen Entladung des Kondensators, wird dies durch den Soll- Spannungs-Ist-Spannungsvergleich im Microcontroller 9 erneut erkannt und es wird zum Zeitpunkt t5 erneut ein Testimpuls abgegeben, mit welchem in gleicher Weise wie mit dem Test impuls zum Zeitpunkt t1 ein weiterer Ladezyklus beginnt.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eignen sich besonders für Hochspannungs ladegeräte, welche beispielsweise zum Betrieb von Lasern be nötigt werden.

Claims

1. Verfahren zum Laden eines Kondensators auf eine vorgegebene Spannung (Soll-Spannung) mit Hilfe einer Folge von Gleichstromimpulsen von untereinander gleicher Amplitude (Ladeimpulse) durch

a) Messen der Ist-Spannung des Kondensators,
b) Laden des Kondensators mit langen, gleichen Ladeimpulsen bis auf eine knapp unterhalb der Soll-Spannung liegende Spannung,
c) Weitergehendes Laden des Kondensators durch einen oder wenige kürzere Ladeimpulse, deren Länge aus einem Vergleich von Soll- und Ist-Spannung so bestimmt wird, daß mit ihnen die Soll-Spannung erreicht wird, und
d) Beenden der Folge der Ladeimpulse, wenn die Soll-Spannung erreicht ist,

dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Schritt (b) der Kondensator mit einem kurzen Impuls (Testimpuls) geladen und aus der Spannungserhöhung die Zahl der gleichen Ladeimpulse festgelegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Spannungserhöhung, welche durch den Testimpuls bewirkt wird, auch die Länge der letzten kürzeren Ladeimpulse festgelegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß nach dem letzten langen Ladeimpuls die Ist-Spannung des Kondensators erneut gemessen, mit der Soll-Spannung verglichen und daraus die Länge der letzten kürzeren Ladeimpulse bestimmt wird, mit denen die Soll-Spannung des Kondensators erreicht wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß eine Leckage des Konden sators durch Testimpulse ausgeglichen wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß zwischen einzelnen Lade impulsen der Ladezustand des Kondensators mit Testimpulsen überprüft wird.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Erhöhung der Ist- Spannung des Kondensators infolge eines Testimpulses oder eines definierten Ladeimpulses verglichen wird mit einem vorgegebenen Kontrollwert und daß eine allfällige Abwei chung, wenn sie einen Grenzwert übersteigt, signalisiert wird.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß als langer Ladeimpuls der längste verfügbare Ladeimpuls gewählt wird.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß als Testimpuls der kürzeste verfügbare Ladeimpuls gewählt wird.

9. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche mit

- Anschlüssen für den zu ladenden Kondensator,
- einer gepulsten Gleichstromquelle,
- mit einer Einrichtung für den Vergleich der Soll-Spannung des Kondensators mit seiner Ist-Spannung, und
- mit einem Impulsbreitenmodulator, welcher die Gleichstromquelle so steuert, daß die Gleichstromimpulse bei Annäherung an die vorgegebene Ladespannung des Kondensators verkürzt werden,

dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Impulsbreitenmodulator (11) eine Rechenschaltung (9) vorgesehen ist, welche aus der Kapazität des Kondensators (3) und dem Ausgangssignal der Einrichtung für den Vergleich der Soll-Spannung mit der Ist- Spannung die Dauer und Anzahl der Ladeimpulse so bestimmt, daß bei vorgegebenem Takt der gepulsten Gleichstromquelle (1) die zum Erreichen der vorgegebenen Soll-Spannung des Kondensators (3) erforderliche Zahl der Ladeimpulse ein Minimum wird.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die Rechenschaltung (9) ein Microcontroller ist.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, daß der Microcontroller (9) zugleich die Einrichtung für den Vergleich der Soll-Spannung mit der Ist-Spannung ist und daß zwischen dem Microcontroller (9) und dem Kondensator (3) ein Analog-Digital-Wandler (7) liegt.

12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsbreitenmodulator (10) einen IGTB als schnellen Schalter enthält.