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Die
vorliegende Erfindung bezieht auf das technische Sachgebiet der
Vorrichtungen, die die Spannung modulieren, die an eine Last angelegt wird.
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Insbesondere
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Modulationsvorrichtung
für die Versorgung
eines Laststromkreises, bei dem es erforderlich ist, einen Stromfluß mit konstantem
Effektivwert zu überlagern.
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Es
ist bekannt, daß es
bei den meisten industriellen Anwendungen möglich ist, eine Last mit einer
variablen Spannung aus einer Hauptleitung zu versorgen, die eine
Spannung aufweist, deren Amplitude und Frequenz im wesentlichen
konstant sind, nachdem geeignete Modulationsvorrichtungen dazwischen
geschaltet wurden.
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Wenn
es notwendig ist, die Last mit einer anderen Frequenz und Spannung
in Bezug auf die entsprechenden Werte zu liefern, die in der Hauptleitung vorhanden
sind, ist es günstig,
eine Gleichrichtergruppe dazwischen zu schalten (die in der Lage
ist, eine Umwandlung von Wechsel- in Gleichspannung durchzuführen), die
in einer Kaskade mit einer Invertergruppe verbunden ist (die für die Spannungswandlung
von Gleich- in Wechselspannung
verantwortlich).
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Wenn
es ausreichend ist, die Last mit der Hauptfrequenz zu versorgen,
ist es günstig,
eine Modulationsgruppe dazwischen zu schalten, die in der Lage ist,
entsprechend den vorgegebenen Spezifikationen den Wert der Spannung
an den Ausgangsklemmen auf geeignete Weise zu modifizieren.
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In
diesem Fall werden weithin Halbleiter- oder Festkörperstromversorgungsgeräte verwendet, die
im allgemeinen in einer Brückenschaltung
angeordnet sind, die vom halb-kontrollierten Typ sein kann, in dem
es möglich
ist, den Trigger anzusteuern, nicht aber den Cut-off desselben,
oder aber eher vom kontrollierten Typ, in dem es möglich ist,
sowohl den Trigger als auch den Cut-off desselben anzusteuern.
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In
dem Fall, in dem der Laststromkreis aus einem Hoch-Mittelenergie-Beleuchtungssystem
besteht, werden die einzelnen Lasten vorzugsweise miteinander derart
in Reihe geschaltet, daß der
gleiche einheitliche Strom durch sie fließt.
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Im
allgemeinen werden bei elektrischen Lasten, die in Reihe geschaltet
sind, Koppeltransformatoren verwendt, deren entsprechende Sekundärspulen
das Lastnetz versorgen.
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Dieses
ermöglicht
einer Versorgung mit einer bekannten Spannung, dem Lastnetz die
gewünschte Stromintensität aufzuprägen, abhängig von
der Anzahl der Lasten, die zu versorgen sind.
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Offensichtlich
kann, wegen des variablen Anschlusses und/oder der Trennung von
Lasten, jede Last, abhängig
von ihrem eigenen Arbeitszyklus, einer beträchtlichen Leistungsschwankung
unterliegen.
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Die
JP-11150951 zeigt eine Vorrichtung zur Modulation der Spannung,
die an eine Last abgegeben wird, mit zwei parallel verbundenen Modulationsbrücken, die
durch ein Steuermodul gesteuert werden. Das Steuermodul schaltet
die Modulationsbrücken
auf der Grundlage der Abfrage eines Stromsensors ein und aus.
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Die
JP-7015953 zeigt eine Schutzschaltung, in der ein Temperaturfühler die
Abschaltzeit bestimmt, nachdem ein Kurzschluß in der Last aufgetreten ist,
auf der Basis der Temperatur, die in der Nähe eines Schaltelementes ermittelt
wird. Jedoch legt die Sensor-Temperatur gemäß der JP-7015953 nur den Zeitpunkt
fest, zu dem die Spannungsversorgung unterbrochen werden soll, und
schaltet nicht eine zusätzliche
Modulierungsgruppe ein, die so lange aktiviert bleibt, bis die Temperatur
wieder auf den Standardbetriebswert abgesunken ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Modulation
der Spannung, die an eine Last angelegt wird, insbesondere für die Versorgung
einer Konstantstromverbraucherschaltung, vorzuschlagen, die in der
Lage ist, an den Ausgangsklemmen eine modulierte stufenlos variable
Spannung zur Verfügung
zu stellen, unabhängig von
der Betriebstemperatur der betreffenden Vorrichtung.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung
zur Modulation der Spannung vorzuschlagen, die an eine Last angelegt wird,
die in der Lage ist, einen Strom mit einem im wesentlichen konstanten
Effektivwert durch den Laststromkreis sicher zu stellen.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Modulationsvorrichtung
vorzuschlagen, die durch eine technische Lösung mit einem einfachen Konzept
zu besonders niedrigen Kosten erhalten wird und die gekennzeichnet
ist durch hohe funktionelle Standards und Zuverlässigkeit, um eine Verwendung
in bereits existierenden Systemen nicht auszuschließen.
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Das
oben genannten Aufgaben werden in Übereinstimmung mit der Erfindung,
die durch Anspruch 1 definiert wird, gelöst.
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Die
kennzeichnenden Merkmale der vorliegenden Erfindung sollen in der
nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten, aber nicht ausschließlichen
Ausführungsbeispiels
und mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen dargelegt werden, in
denen:
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1 einen
Schaltplan eines allgemeinen Systems von Lasten veranschaulicht,
die in Reihe geschaltet sind, das durch die vorgeschlagene Modulationsvorrichtung
mit der Zwischenschaltung eines Koppeltransformators versorgt wird;
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2 einen
vergrößerten Schaltplan
der Modulationsvorrichtung, die in 1 benutzt
wird, veranschaulicht;
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2a eine
Ansicht eines besonders bedeutenden Elements der Modulationsvorrichtung,
die in 2 dargestellt ist, zeigt, die in Bezug auf die
vorhergehenden Abbildungen vergrößert ist.
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Mit
Bezug auf die beigefügten
Figuren bezeichnet das allgemeine Bezugszeichen 1 die vorgeschlagene
Spannungs-Modulationsvorrichtung für die Versorgung eines Laststromkreis
oder eines Netzes unter der Zwischenschaltung eines Transformators
T.
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Der
Laststromkreis oder das Netz umfaßt, als Beispiel, eine Anzahl
von Lasten (Z1 ..., Zn) die in Serie geschaltet sind und die folglich
vom gleichen Strom I3 durchflossen werden.
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Der
Laststromkreis umfaßt
geeignete Meßmittel
(TA, TV), die zum Beispiel aus sogenannten "Strom-" und "Spannungs-" Meßtransformatoren
bestehen, und die geeignet sind, die entsprechen die Werte des Stromes
I3, der durch diese Lasten (Z1 ..., Zn) fließt, und der Spannung V3, die
an den Anschlüssen
der Sekundärspule
des Transformators T anliegt, kontinuierlich zu erfassen (1).
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Die
Modulationsvorrichtung 1 umfaßt Eingangsklemmen, an denen
die Eingangsspannung V1 bereitgestellt wird, und entsprechende Ausgangsklemmen,
an denen die Ausgangsspannung V2 bereitgestellt wird.
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Die
Ausgangsklemmen sind direkt mit der Primärspule des Transformators T
verbunden, durch die ein Primärstrom
I2 fließt,
möglicherweise
mit der Zwischenschaltung einer Sicherheitsvorrichtung (nicht dargestellt),
die geeignet ist, die Gleichstromanteile des Primärstromes
I2 zu ermitteln.
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Angeordnet
zwischen einer Eingangsklemme und der entsprechenden Ausgangsklemme schließt die Vorrichtung 1 eine
Modulationshauptbrücke 3 mit
ein, die, in Bezug auf die Signale, die von einem zugeordneten Steuermodul
MC kommen, in der Lage ist, die Ausgangsklemmen mit einem effektiven
Spannungswert V2 zu versorgen, der in Bezug auf die Wellenform der
Eingangsspannung V1 moduliert ist.
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Diese
Modulationshauptbrücke 3 umfaßt, zum
Beispiel, einen Satz von drei zueinander parallel geschalteten Zweigen
und besteht im wesentlichen aus zwei Zweigen mit Dioden D1, D2,
die jeweils aus zwei Dioden bestehen, die in Kaskade geschaltet sind,
und einem dritten Zweig, der eine operative Gruppe K1 enthält, in der
ein kontrolliertes Halbleiterelement 3a wirksam ist, das
vorteilhafterweise durch das Steuermodul MC gemäß der bekannten PWM (Impulswellenmodulation) – Operationsmethode
aktiviert wird.
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Innerhalb
der operativen Gruppe K1 weist das kontrollierte Halbleiterelement 3a eine
Schutzdiode D10 auf, die parallel geschaltet ist und die mit ihrem
Kollektor (mit C bezeichnet) mit der Anode einer Diode D20 verbunden
ist; die ihrerseits in Reihe mit einen Stabilisierungskondensator
geschaltet ist, der für
eine Stabilisierung der Spannung an den Enden des gleichen Halbleiterelementes 3a sorgt.
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Sowohl
die Gruppe Halbleiterelement 3a-Schutzdiode D10 als auch
die Gruppe Diode D20-Kondensator sind derart geschaltet, daß sie parallel
zu den zwei Zweigen D1 und D2 liegen.
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Eine
zusätzliche
Modulierungsgruppe 4 ist parallel mit der Modulationshauptbrücke 3 geschaltet,
so daß,
im deaktivierten Zustand dieser Brücke 3, abhängig von
den Signalen, die vom Steuermodul MC kommen, die zusätzliche
Gruppe 4 in der Lage ist, die Ausgangsklemmen mit einem
effektiven Spannungswert V2 zu versorgen, die in Bezug auf die Wellenform
der Eingangsspannung V1 moduliert ist.
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Die
zusätzliche
Modulierungsgruppe 4 wird vorteilhafterweise durch ein
Paar Halbleiterelemente 4a und 4b gebildet, die
anti-parallel verbunden sind, das heißt, daß die Anode des einen mit der
Kathode des anderen verbunden ist und umgekehrt.
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Diese
Halbleiterelemente 4a und 4b umfassen vorteilhafterweise
SCR (kontrollierte Silizium-Gleichrichter), die, wegen des speziellen
Anschlusses, auf einer zugeordneten Halbwelle der Spannung arbeiten.
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Außerdem ist
die Modulationsvorrichtung 1 mit einem Sensor θ versehen,
der mit dem Steuermodul MC zusammenwirkt, um die Temperatur in der Nähe der gleichen
Modulationsvorrichtung 1, zum Beispiel in der Nähe der Modulationshauptbrücke 3, zu
messen.
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Auf
diese Weise ist das Steuermodul MC in der Lage, die Modulationshauptbrücke 3 und
die zusätzliche
Modulierungsgruppe 4 zu sperren und/oder einzuschalten,
abhängig
von den Signalen, die vom Sensor θ und von den Meßmitteln
(TA, TV) kommen, die mit dem Laststromkreis verbunden sind, zum
Beispiel, um den effektiven Wert des Stromes I3, der in dem gleichen
Laststromkreis fließt,
im wesentlichen konstant zu halten.
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Eine
Shunt-Gruppe 5 ist parallel an die Ausgangsklemmen der
Modulationsvorrichtung angeschlossen, um, abhängig von den Signalen, die
vom Steuermodul MC kommen, das Fließen des Primärstromes
I2 zu ermöglichen,
der im gesperrten Zustand der Modulationshauptbrücke 3 in der Primärspule des
Transformators T fließt.
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Die
Shuntgruppe 5 umfaßt
vorteilhafterweise operative Gruppen K2 und K3, die auf geeignete
Weise geschaltet sind, völlig
analog zur operativen Gruppe K1, die, wie oben beschrieben, in der
Modulationshauptbrücke 3 vorgesehen
ist.
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Es
folgt eine kurze Beschreibung des allgemeinen Betriebes der vorgeschlagenen
Modulationsvorrichtung 1, für die die jeweiligen Werte
des Stromes I1 und der Spannung V1 an den Eingangsklemmen ermittelt
werden, in dem Fall, in dem gewünscht wird,
daß ein
im wesentlichen konstanter effektiver Wert des Stromes I3 durch
den Laststromkreis fließen
soll.
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Unter
nominalen Betriebsbedingungen wird die Eingangsspannung V1 durch
die Modulationshauptbrücke 3,
in der das Halbleiterelement 3a durch das Steuermodul MC
gemäß der Methode
PWM (Impulswellenmodulation) aktiviert wird, in Relation zu den
Signalen, die von den Meßmitteln
(TA, TV) kommen, die im Laststromkreis angeordnet sind, und vom
Sensor θ geeignet
moduliert.
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Unter
Lastbedingungen, wenn der Kühlkreis der
Modulationsvorrichtung 1 ordnungsgemäß funktioniert, bleiben die
Temperaturwerte der Hauptbrücke 3 unterhalb
eines kritischen Wertes θc
und der Sensor θ beaufschlagt
nicht das Steuermodul MC, das nur die Hauptbrücke 3 aktiviert hält.
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Im
Betriebszustand der Hauptbrücke 3,
in der die PWM-Methode verwendet wird, um die Unterbrechung des
Stromes, der durch das Halbleiterelement 3a fließt, zu kontrollieren,
kann der Primärstrom I2,
der durch die Primärspule
des Transformators T fließt,
durch das geeignete Halbleiterelement, das durch eine der operativen
Gruppen K2 und K3. gesteuert wird, die Shuntgruppe 5 durchfließen.
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Dieses
ermöglicht
es, eine etwaige Überspannung
zu verhindern, die durch das Vorhandensein magnetischer Energie
im Stromkreis hervorgerufen würde,
wobei diese Energie dazu neigt, sich in den Induktanz-Elementen
anzusammeln und einen Energienfaktor beizubehalten, der in Bezug
auf das Versorgungsnetzwerk, das stromaufwärts von der Modulationsvorrichtung 1 liegt,
gegen 1 strebt.
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Sofern
aufgrund der Hinzufügung
und/oder der Abtrennung einer Last Zj (j = 1..., n) im Laststromkreis
Fluktuationen im Strom I3 und/oder in der Spannung V3 und an den
Enden der Sekundärspule
des Transformators T auftreten würden,
würden
die Meßmittel
(TA, TV) diese Werte ermitteln die, ausgewertet durch das Steuermodul
MC, eine Änderung
des PWM-Arbeitszyklus des Halbleiterelementes 3a der Modulationshauptbrücke 3 erfordern
würden.
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Im
Betriebszustand der Modulationshauptbrücke 3 bleibt die zusätzliche
Modulierungsgruppe 4, in Übereinstimmung mit einem Befehl,
der vom Steuermodul MC ausgegeben wird, deaktiviert.
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Falls
eine Anomalie und/oder ein Ausfall des Kühlkreises der Modulationsvorrichtung 1 eintreten, würde die
Temperatur in der Nähe
der Hauptbrücke 3 dazu
neigen, sich bis auf einen kritischen Wert θc zu erhöhen, oberhalb dessen der Sensor θ das Steuermodul
MC beaufschlagt, wobei die Hauptbrücke 3 gesperrt und
die zusätzliche
Modulierungsgruppe 4 in diesem Kontext in geeigneter Phasenrelation
eingeschaltet wird.
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Tatsächlich stellt
die zusätzliche
Modulierungsgruppe 4, aktiviert durch das Steuermodul MC, an
den Ausgangsklemmen einen effektiven modulierten Wert der Eingangsspannung
V1 bereit, so lange wie die Modulationshauptbrücke gesperrt bleibt, dies offensichtlich
in Form einer Ausgangswelle, die durch Parameter mit geringerer
Qualität
gekennzeichnet ist.
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Die
durch das Steuermodul MC der Hauptbrücke 3 aufgeprägte Schaltung
der zusätzlichen Gruppe 4 bewirkt
tatsächlich
einen Stopp der Zunahme der Temperatur in der Nähe der zu Modulationsvorrichtung 1,
die zu stoppen ist, wodurch der thermische Druck, dem die Stromkreisbestandteile
derselben unterworfen sind, begrenzt wird und dieser auf Werte gebracht
wird, die in Bezug auf die kritische Temperatur θc wesentlich abgesenkt sind.
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Insbesondere
ermöglicht
dies, die Integrität der
Bestandteile der Hauptbrücke 3,
die besonders empfindlich gegenüber
Temperaturänderungen
sind, zu schützen,
so daß diese
folglich nicht beschädigt werden.
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Während des
Betriebes der zusätzlichen
Modulierungsgruppe 4 bleibt die Shuntgruppe 5 abgeschaltet.
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Sofern
aufgrund des Anschlusses an den und/oder der Abtrennung einer Last
Zj (j = 1 ..., n) vom Laststromkreis Fluktuationen im Strom I3 und/oder
in der Spannung V3, die an den Anschlüssen der Sekundärspule des
Transformators T anliegt, auftreten würden, würden die Meßmittel (TA, TV) diese Werte
ermitteln die, ausgewertet durch das Steuermodul MC, eine Änderung
des Arbeitszyklus des SCR 4a und 4b der zusätzlichen
Gruppe 4 erfordern würden.
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So
lange die Anomalie und/oder der Ausfall des Kühlkreises nicht beseitigt sind,
bleibt die zusätzliche
Gruppe 4 aktiviert und die Modulationshauptbrücke 3 bleibt
deaktiviert, ungeachtet der Tatsache, daß die Temperatur der Modulationsvorrichtung 1 auf einen
Wert weit unterhalb des kritischen Wertes θc absinkt, der vorher die Hauptbrücke 3 deaktiviert
und die zusätzliche
Gruppe 4 aktiviert hatte.
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Dieses
schließt
nicht aus, daß aufgrund
bestimmter Betriebsspezifikationen Aktivierungs-Deaktivierungszyklen
der Hauptbrücke 3 und
der zusätzlichen
Gruppe 4 in Relation zu der Temperatur in der Nähe der Modulationsvorrichtung 1 eingeplant
werden könnten,
die um den kritischen Wert θc
herum voreingestellt werden könnten.
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In
diesem Fall würde
der Sensor θ die
Hauptbrücke 3 aktiviert
halten, während
die Temperaturwerte kleiner als der kritische Wert θc sind,
wobei die zusätzliche
Gruppe 4 deaktiviert wäre,
und er würde die
zusätzliche
Gruppe 4 aktivieren und würde die Hauptbrücke 3 deaktivieren,
wenn die Temperaturwerte über
dem kritischen Wert θc
lägen.
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Dieses
würde zu
einer Reihe von thermischem Transienten um den kritischen Wert θc herum führen. Im
allgemeinen ist es wünschenswert,
solche thermischen Transienten zu vermeiden, um die Bestandteile
der Modulationsvorrichtung 1 nicht übermäßig zu belasten.
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Offensichtlich
können
sowohl die Modulationshauptbrücke 3 als
auch die zusätzliche
Modulierungsgruppe 4 gemäß dem bevorzugten Schaltplan-Layout
ausgebildet werden, vorausgesetzt, daß sie an den Ausgangsklemmen
der Modulationsvorrichtung 1 einen effektiven modulierten
Wert der Eingangsspannung V1 bereitstellen.
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Zum
Beispiel kann die zusätzliche
Modulierungsgruppe 4 Halbleiterelemente des ansteuerbaren
Typs umfassen, die durch das Steuermodul MC nach der PWM-Methode aktiviert
werden.
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Wenn
die Halbleiterelemente der zusätzlichen
Modulierungsgruppe 4 vom halbansteuerbaren Typ sind, wie
in dem oben beschriebenen Beispiel, in dem SCR verwendet wird, ist
es möglich,
die hierzu zugeordneten Schwingkreise vorzusehen, die das Deaktivieren
der Bestandteile erzwingen.
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Daher
ermöglicht
die vorgeschlagene Modulationsvorrichtung eine optimale Modulation
der Spannung, die an eine Last angelegt wird, insbesondere für die Versorgung
eines Konstantstrom-Lastkreises, unabhängig von der Betriebstemperatur
der Vorrichtung.
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Die
Rückkopplung
zwischen der Modulationsvorrichtung und dem Lastkreis, über Meßmittel, die
geeignet ist, die Werte des Stromes und/oder der Spannung an den
Anschlüssen
der Sekundärspule des
Transformators zu ermitteln, stellt die Versorgung der Lasten ohne
irgendeine signifikante Fluktuation des dadurch betroffenen Stromes
sicher.
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Die
operationellen Gruppen der Modulationshauptbrücke und der Shuntgruppe bestehen
im wesentlichen aus bereits zusammengebauten Blöcken von Elementen, folglich
sind ihre Kosten besonders niedrig.