DE69105876T2 - Abwärtstaktregler mit zwei Regelschleifen. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Stromversorgungsschaltanlagen und insbesondere auf verbesserte Geräte zur Spannungsregelung in Anlagen dieser Art.
• Bei vielen Anwendungen ist es wichtig zu verhindern, daß plötzliche Schwankungen bei einem von einer Konstantstromquelle gelieferten Ausgangsstrom sich rückwärts auf den Eingangsstrom auswirken. Ein solcher Fall liegt zum Beispiel vor, wenn eine Drehstromquelle zum Betreiben von Einphasen-Ausrüstungen Verwendung findet. Bei einer solchen Konstellation kann die Ausgangsleistung der Drehstromquelle gleichgerichtet und dann in Einphasen-Wechselstrom (WS) umgewandelt werden. Von Bedeutung bei einer solchen Anwendung ist, daß die Phasenströme am Eingang annähernd egalisiert werden, damit Sicherung oder Leistungsschalter in einer der Eingangsleitungen bei erhöhtem Stromfluß nicht ansprechen.
• Um zu verhindern, daß plötzliche Änderungen in einem Laststrom Rückwirkungen auf den Eingang eines Abwärtstaktreglers haben, kann die Rückkopplungsschleife so ausgelegt werden, daß sie relativ träge wirkt. Der Effekt bei dieser Anordnung besteht darin, daß jede auf den Eingangsstrom rückwirkende Veränderung des Laststromes über mehrere Schwingungsperioden der Wechselstromquelle, die den Eingangsstrom liefert, verteilt wird. In dem Fall also, wo als Eingang Drehstrom verwendet wird, gehen Laststromänderungen als Mittelwert auf die drei Phasen anstatt sich massiv auf eine der Phasen auszuwirken.
• Wenn jedoch eine relativ träge Rückkopplungsschleife zum Einsatz kommt, wird auf der Lastseite die Spannungsregelung in gewissem Umfang problematisch. Während unter den meisten Betriebsbedingungen eine solche Rückkopplungsschleife für eine ausreichende Regelung sorgt, kann sie bei einem plötzlichen Anstieg der Lastspannung unter Umständen nicht schnell genug folgen, um eine Beschädigung eines Schaltelementes zu verhindern.
• Die vorliegende Erfindung bietet eine Lösung für Probleme.
• Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Gerätes für die Stromversorgung, bei dem plötzliche Laststromänderungen nicht auf den Eingangsstrom zurückwirken.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Maximalwert der Lastspannung auf eine vorher festgelegte Höhe zu begrenzen.
• Die Erfindung sieht eine Stromversorungsschalteinrichtung vor, bei der eine Pulsdauermodulation des Eingangsstromes mittels Modulator mit steuerbarem Arbeitszyklus erfolgt. Am Ausgang des Modulators werden hochfrequente Modulationsanteile herausgefiltert, und der Ausgang wird an eine Last gelegt. Zwischen der Lastspannung und einem Eingang des Pulsdauermodulators wird zur Steuerung von dessen Arbeitszyklus eine erste Rückkopplungsschleife mit einem relativ niedrigen Verstärkungsfaktor und einer relativ langen Zeitkonstante vorgesehen, damit Laststromänderungen, die auf den Eingangsstrom rückwirken, auf mehrere Schwingungsperioden der WS-Stromquelle, die den Eingangsstrom liefert, verteilt werden. Zusätzlich wird eine zweite Rückkopplungsschleife vorgesehen, die im Vergleich zur Zeitkonstante der ersten Rückkopplungsschleife eine kürzere Zeitkonstante und einen größeren Verstärkungsfaktor hat. Die zweite Rückkopplungsschleife ist so eingerichtet, daß sie die Steuerung übernimmt, wenn die Ausgangsspannung eine vorher festgelegte Größe erreicht. Der Stromkreis ist erfindungsgemäß so angeordnet, so daß die erste Rückkopplungsschleife bei Normalbetrieb steuert, daß plötzliche Laststromänderungen in dieser Betriebsweise nicht auf den Eingangsstrom rückwirken, während die zweite Rückkopplungsschleife steuert, wenn die Ausgangsspannung eine vorher festgelegte Größe überschreitet und zur Begrenzung der Spannung auf diese Größe wirksam wird.
• Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, wobei:
• Fig. 1 ein Schaltplan ist, der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
• Fig. 2 die Drehstromanordnung zeigt, die als Einspeisung für die Schaltung von Fig. 1 verwendet werden kann.
• In Fig. 1 ist eine Gleichstromspannungsquelle 2 (GS) dargestellt, die die Eingangsspannung Ei und den Eingangsstrom Ii liefert. Dieser Strom speist den Eingang 7 de Pulsdauermodulators 6, der einen steuerbaren, durch die Rückkopplungsspannung Ve festgelegten Arbeitszyklus hat. Die Rückkopplungsspannung Ve wird an den Eingang 9 gelegt. Stromversorgungsschaltanlagen mit einem über die Rückkopplung gesteuerten Pulsdauermodulator zur Eingangsregelung sind bekannt. Ein Beispiel für eine solche Anordnung ist ausführlich in der US-Patentschrift 3,737,755 dargestellt.
• Der Ausgang des Pulsdauermodulators wird an einen Tiefpaßfilter, bestehend aus Induktionsspule 10 und Kondensator 12, geführt, der die Modulationsfrequenz beseitigt. Zusätzlich ist die Freilaufdiode 8 vorgesehen, um einen Dauerstrom in Induktionsspule 10 aufrechtzuerhalten.
• Die Belastung der Schaltung erfolgt durch die Stromquelle 14, die gegenüber dem Kondensator 12 angeordnet ist. Die Lastspannung Eo wird an die Rückkopplungsschleifen 24 und 26 gelegt, die die Steuerspannung Ve, die an Eingang 9 des Pulsdauermodulators zur Steuerung von dessen Arbeitszyklus geführt wird, bestimmen. Entsprechend der Erfindung steuert die Rückkopplungsschleife 24 bei normalen Betriebsbedingungen. Diese Schleife ist so eingerichtet, daß sie eine relativ lange Zeitkonstante und eine relativ niedrige Rückkopplungsschleifenverstärkung hat. Damit soll verhindert werden, daß plötzliche Anderungen im Ausgangsstrom 10 auf den Eingangsstrom Ii zurückwirken. Mit einer relativ langsamen Schleife wird also eine plötzliche Änderung in Io auf mehrere Schwingungsperioden von Ii vermittelt. In dieser Anordnung wirkt der Kondensator 12 als Quelle und Senke für die Veränderungen im Laststrom, und die Regelung der Lastspannung ist unter den meisten Betriebsbedingungen ausreichend.
• Wenn jedoch die Lastspannung plötzlich ansteigt, kann der Fall eintreten, daß die durch die Schleife 24 vorgenommene Regelung nicht schnell genug reagiert, um eine Beschädigung von Schaltungsbauteilen zu verhindern. Damit ist es also erforderlich, daß ein Ansteigen der Lastspannung über einen festgelegten Wert hinaus vermieden wird. Dies wird erfindungsgemäß durch den Einsatz einer zweiten Rückkopplungsschleife 26 erreicht, die bei Anstieg der Lastspannung auf einen festgelegten Wert die Steuerung übernimmt. Die zweite Rückkopplungsschleife reagiert schneller und hat eine höhere Rückkopplungsschleifenverstärkung als die erste Schleife. Somit erfolgt eine rasche Regelung der Lastspannung, um deren Anstieg über den festgesetzten Wert zu verhindern.
• Das in Fig. 1 dargestellte Rückkopplungselement 24 umfaßt den Operationsverstärker 28 mit der Bezugsspannungsquelle 40 für Spannung Vr1 und den Widerstand 30 an den entsprechenden Eingängen. Darüber hinaus verfügt der Operationsverstärker über Rückkopplungsbauteile, die den Scheinwiderstand 32, den Widerstand 34 und die Diode 36 umfassen.
• Das Rückkopplungselement 26 umfaßt in ähnlicher Weise den Operationsverstärker 42 mit der Bezugsspannungsquelle 46 für Spannung Vr2 und den Widerstand 44 an den entsprechenden Eingängen. Der Operationsverstärker 42 weist außerdem einen Rückkopplungsscheinwiderstand 48 auf, und es sollte beachtet werden, daß beide Operationsverstärker durch ein ODER-Glied gespeist werden, das aus Spannungsquelle + Vb, Widerstand 18 und den Dioden 20 und 22 besteht. Die Bezugsspannung Vr2 schließlich ist so eingerichtet, daß sie höher als die Bezugsspannung Vr1 ist, und die Zeitkonstante des Scheinwiderstandes 48 ist kürzer als die des Scheinwiderstandes 32.
• Im folgenden wird die Arbeitsweise der Schaltung beschrieben. Wie oben erwähnt, bestimmt die Fehlerspannung Ve, die an Eingang 9 des Pulsdauermodulators 6 geführt wird, den Umfang, in dem die Regelung erfolgt. Ve ist die verstärkte Differenz aus der Lastspannung Eo und Vr1 oder Vr2.
• Da ein niedriger Wert des ODER-Gliedes einen hohen Wert ausschließt, wird Ve durch die Schleife mit dem niedrigsten Ausgangswert bestimmt. In diesem Fall ist Vr1 geringer als Vr2, wodurch Eo durch Vr1 gesteuert wird, falls Io relativ konstant bleibt. Falls Io sich plötzlich verringern sollte und die Rückkopplungseinheit 24 für dessen Korrektur zu langsam reagiert, steigt Eo bis zum Überschreiten von Vr2 an.
• Bei einem sehr schnellen Ansprechen des Rückkopplungselementes 26 wird Ve abgesenkt und ein weiterer Anstieg von Eo auf Vr2 begrenzt. Wenn das Rückkopplungselement 24 in seiner Reaktion gleichzieht, verringert es Ve weiter und führt Eo zurück auf den Wert von Vr1. Daraus ist ersichtlich, daß Vr2 eine Obergrenze für Eo setzt und die Änderung bei Io in den Kondensator 12 eingehen läßt. Dadurch wird verhindert, daß der Eingangsstrom Ii dem raschen Abfall des Laststromes Io folgt. Falls Io plötzlich ansteigt und die Steuerung des Rückkopplungselementes 24 aktiv ist, sinkt Eo ab, da die langsame Reaktion des Rückkopplungselementes 24 verhindert, daß der Strom Io der Spannung Eo folgt. In diesem Fall wird der Stromanstieg durch Kondensator 12 bewirkt, statt daß Ii ansteigt. Plötzliche Änderungen beim Eingangstrom Ii, wenn solche Änderungen im Laststrom Io auftreten, werden so verhindert und die Lastspannung Eo wird auf einen Maximalwert begrenzt. Diode 36 und Widerstand 34 verringern die Zeit, die das Rückkopplungselement 24 für die Übernahme der Steuerung während des Lastanstiegs benötigt. Dies geschieht, indem die Ladung, die sich in den Kondensatoren von Scheinwiderstand 32 akkumulieren kann und von der den Operationsverstärker 28 betreibenden Steuerstromversorgung (nicht dargestellt) kommt, begrenzt wird.
• Fig. 2 zeigt eine Drehstromquelle 70, die den Strom für die vorliegende Schaltung liefern kann. In diesem Fall würde der zugeführte Drehstrom in einem Drehstromgleichrichter 72 gerichtet. Der daraus resultierende Gleichstrom Ii würde den in Fig. 1 dargestellten Abwärtstaktregler 74 versorgen.
• Die Schaltanordnung wirkt dahingehend, die Ströme der drei Phasen relativ gleichmäßig zu halten und einen Anstieg der Lastspannung über einen vorgewählten Wert hinaus nicht zuzulassen.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Spannungsregelung, bei welcher Änderungen des Laststromes (Io) nicht plötzlich auf den Eingangsstrom (Ii) rückwirken, umfassend:

eine Wechselstromquelle zur Lieferung eines Eingangsstromes (Ii),

Mittel (6) mit steuerbarem Arbeitszyklus zur Modulierung der Pulsdauer des Eingangsstromes (Ii) auf eine vorgewählte Frequenz,

Filterbauteile (10, 12), die an den Ausgang des Mittels (6) zur Modulierung der Pulsdauer angeschlossen sind, welche die vorgewählte Frequenz aufheben,

eine an den Ausgang der Filterbauteile (10, 12) angeschlossene Last, einer parallel dazu anliegenden Lastspannung (Eo),

ein erstes auf die Lastspannung ansprechendes Rückkopplungselement (24) zur Steuerung des Arbeitszyklus des Pulsdauermodulators (6), damit die Lastspannung geregelt wird, wobei dieses erste Rückkopplungselement (24) eine relativ lange Zeitkonstante hat, so daß auf den Eingangsstrom (Ii) rückwirkende Änderungen des Laststromes (Io) über mehrere Wechselstromperioden der den Eingangsstrom (Ii) liefernden Wechselstromquelle verteilt werden, und ein zweites auf die über einen vorbestimmten Wert hinaus ansteigende Lastspannung (Eo) ansprechendes Rückkopplungselement (26) zur Übernahme der Steuerung des Arbeitszyklus des Pulsdauermodulators (6), wobei das zweite Rückkopplungselement (26) eine Zeitkonstante hat, die im Verhältnis zur Zeitkonstante des ersten Rückkopplungselementes (24) kurz ist zum Zweck einer schneller einsetzenden Regelung der Lastspannung (Eo) in den Momenten, wenn diese Spannung den im voraus bestimmten Wert übersteigt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher dieses Filterbauteil einen Kondensator (12) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher das erste sowie das zweite Rückkopplungselement (24, 26) Operationsverstärker (28, 42) aufweisen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei welcher die Operationsverstärker (28, 42) an ein ODER-Glied (18, 20, 22) angeschlossen sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher an jeden der Operationsverstärker (28, 42) eine Bezugsspannung (VR1, VR2) geführt wird, und bei welcher die Bezugsspannung (VR1), die an den in dem ersten Rückkopplungselement (24) vorliegenden Operationsverstärker (28) geführt wird, einen kleineren Wert als die Bezugsspannung (VR2) hat, die an den in dem zweiten Rückkopplungselement (26) enthaltenen Operationsverstärker (42) geführt wird, und bei welcher die an den in dem zweiten Rückkopplungselement (26) vorliegenden Operationsverstärker (42) geführte Bezugsspannung (VR2) dem genannten, im voraus bestimmten Spannungswert entspricht.

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die Wechselstromquelle eine Drehstromquelle ist, die einen Gleichstrom mittels einem Drehstromgleichrichter liefert.