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Technisches Gebiet
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Diese
Erfindung bezieht sich auf eine Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlerschaltung.
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Hintergrund der Erfindung
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Eine
Hochgeschwindigkeitsbetätigung
eines Magnetventils oder eines anderen solchen elektromagnetischen
Aktuators verlangt üblicherweise, dass
ein Erregerstrom schnell erzeugt wird, so dass er eine Induktivität überwindet.
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Wenn
wir einen inneren Widerstand einer Spule mit R bezeichnen und eine
Induktivität
mit L, ist es bekannt, dass die Übertragungsfunktion
G(S) eines Erregerstroms I in Abhängigkeit von einer angelegten
Spannung E G(S) =
(1/R)·(1/(1
+ L·S/R)) (1)beträgt, und
es ist bekannt, dass, wie aus der Formel hervorgeht, die Steigung
des Anstiegs des Stroms I unmittelbar nachdem die Spannung E in
einem Zustand, in dem I = 0 ist, angelegt worden ist, E/L beträgt, dass
der stationäre
Strom E/R beträgt,
und dass eine primärseitige
Verzögerung
in der Zeitkonstante L/R auftritt.
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Daher
muss die angelegte Spannung E erhöht werden, um den Strom zu
einer Spule mit gegebenem R und L schnell zu erhöhen und dadurch eine schnelle
Betätigung
zu erreichen. Jedoch ist ein Anstieg in der angelegten Spannung
E durch einen notwendigen Anstieg im stationären Strom begleitet, was zu
Hitze in der Spule führt,
sowie zum Schmoren usw., und die Anordnung ist auch massiger und
verbraucht mehr Energie. Auch ist bei einer Maschine, welche eine
bordeigene Batterie als ihre Stromquelle nutzt, wie z. B. ein bewegtes
Fahrzeug, die angelegte Spannung limitiert, und eine ausreichende
Spannung kann oft nicht bezogen werden.
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Um
dieses Problem zu lösen,
wird eine Spannungserhöhungsschaltung
(so wie ein Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler nach Rücklauf-
bzw. "Flyback"-Art) zum Anheben
der angelegten Spannung an der Spule und eine Stromsteuerschaltung zum
Begrenzen des stationären
Stroms bereitgestellt, eine Hochspannung wird angelegt, und der Strom
wird während
des Stromanstiegs schnell erhöht,
und die angelegte Spannung wird unterdrückt, und der Strom wird durch
die Stromsteuerschaltung daran gehindert, mehr als notwendig anzusteigen, wenn
der Strom einen bestimmten Wert erreicht.
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17 zeigt
ein Beispiel einer konventionellen induktiven Lastansteuerungsvorrichtung,
in der ein "Flyback"-Typ eines Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers
als Spannungserhöhungsschaltung eingesetzt
wird. In dieser Figur ist 10 eine Ladeschaltung, die aus
einem "Flyback"-Typ eines Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers
besteht.
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Eine
massigere Vorrichtung ist eines der Probleme, denen man begegnet,
wenn ein "Flyback"-Typ eines Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers
als Spannungserhöhungsschaltung
verwendet wird. Es war in der Vergangenheit übliche Praxis, eine Drosselspule oder
einen Transformator als Induktivität der Ladeschaltung zum Speichern
von Energie zu verwenden, aber dies führt zu einem Apparat, der noch
massiger und noch komplizierter war.
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In
EP 0 243 862 A2 ist
eine elektrische Einrichtung offenbart, welche ein Mittel zur Gleichrichtung
eines Wechselstroms in einen Gleichstrom besitzt. Wenn der Gleichstrom
durch einen Schalter an- und ausgeschaltet wird, ergibt sich ein
Wechselstrom mit einem gewissen Offset bzw. Versatz. Die elektromagnetische
Spule weist einen magnetischen Kern auf, welcher durch mindestens
einen Permanentmagneten vormagneti siert ist. Aufgrund der Vormagnetisierung
des Transformatorkerns durch den Permanentmagneten kann ein großer Teil
der Hysteresekurve, welche üblicherweise
nicht verwendet wird, zumindest in den äußeren Bereichen benutzt werden.
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Es
ist eine Aufgabe dieser Erfindung, die oben angesprochenen Probleme
zu lösen
und eine Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlerschaltung
bereitzustellen, welche relativ kompakt und leichtgewichtig ist,
die eine einfache Schaltungsstruktur aufweist und welche effizient
ist, und weiterhin eine induktive Lastansteuerungsvorrichtung bereitzustellen,
in welcher diese Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlerschaltung verwendet
wird.
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Diese
Aufgabe wird mittels eines Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers nach
Anspruch 1 gelöst.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlerschaltung, welche ausgestattet
ist mit einer Stromquelle, einer mit der Stromquelle verbundenen
Spule, einer Schaltvorrichtung zum Öffnen und Schließen eines
geschlossenen Stromkreises, welcher die Stromquelle und die Spule,
einen Kondensator und eine Diode einschließt, wobei der Kondensator parallel
zur Schaltvorrichtung geschaltet ist, und die Diode zwischen der
Spule und der Schaltvorrichtung derart vorgesehen ist, dass sie ein
Fließen
eines Stroms durch die Schaltvorrichtung vom Kondensator verhindert,
wenn die Schaltvorrichtung geschlossen ist, wobei die Schaltvorrichtung
geschlossen ist, so dass eine Spannung der Stromquelle an die Spule
angelegt wird, was dazu führt,
dass in der Spule Energie gespeichert wird, und wobei die Schaltvorrichtung
zu einem beliebig bestimmten Zeitpunkt geöffnet wird, was dazu führt, dass
die in der Spule gespeicherte Energie im Kondensator gespeichert
wird und ausgegeben wird, wobei ein magne tischer Kern der Spule
durch ein konstantes magnetisches Feld in einer Richtung eines magnetischen Flusses,
der durch einen von der Stromquelle gelieferten Strom induziert
wird, vormagnetisiert wird, so dass der magnetische Kern der Spule,
wenn kein Strom angelegt wird, magnetisch durch die Vormagnetisierung
gesättigt
ist.
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Durch
das so geschehene Anlegen einer Vormagnetisierung an das magnetische
Feld der Spule und durch ein Verschieben des Betätigungspunktes kann die Energiedichte
pro Oberflächeneinheit
des magnetischen Kerns erhöht
werden, und die in der Spule gespeicherte Energie kann erhöht werden.
Daher kann das Aufladen des Kondensators sogar dann effizient durchgeführt werden,
falls eine relativ kleine Spule verwendet wird, und es kann eine induktive
Lastansteuerungsvorrichtung realisiert werden, in der eine kompakte
und leichtgewichtige Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlerschaltung verwendet
wird.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 ist
ein Schaltungsdiagramm eines ersten praktischen Beispiels einer
Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlerschaltung der vorliegenden Erfindung, in
der eine einzige Induktivität
verwendet und durch einen Permanentmagneten vormagnetisiert wird;
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2(a) bis 2(c) sind
Diagramme der Energiedichte, welche durch Anwendung einer Vormagnetisierung
am magnetischen Kern erhöht
wird;
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3 ist
ein Schaltungsdiagramm eines weiteren praktischen Beispiels der
Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlerschaltung der vorliegenden Erfindung, in
welcher eine Vormagnetisierung mittels eines Elektromagneten erzeugt
wird;
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4 ist
ein Schaltungsdiagramm eines praktischen Beispiels einer induktiven
Lastansteuerungsvorrichtung, in welcher die Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlerschaltung
der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
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5 ist
ein Schaltungsdiagramm eines anderen praktischen Beispiels der induktiven
Lastansteuerungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung;
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6 ist
ein Schaltungsdiagramm noch eines anderen praktischen Beispiels
der induktiven Lastansteuerungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung;
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7 ist
ein Schaltungsdiagramm noch eines anderen praktischen Beispiels
der induktiven Lastansteuerungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung;
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8 ist
ein Schaltungsdiagramm noch eines anderen praktischen Beispiels
der induktiven Lastansteuerungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung;
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9 ist
ein Schaltungsdiagramm noch eines anderen praktischen Beispiels
der induktiven Lastansteuerungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung;
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10 ist
ein Schaltungsdiagramm noch eines anderen praktischen Beispiels
der induktiven Lastansteuerungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung;
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11 ist
ein Schaltungsdiagramm noch eines anderen praktischen Beispiels
der induktiven Lastansteuerungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung;
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12 ist
ein Schaltungsdiagramm noch eines anderen praktischen Beispiels
der induktiven Lastansteuerungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung;
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13 ist
ein Schaltungsdiagramm noch eines anderen praktischen Beispiels
der induktiven Lastansteuerungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung;
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14 ist
ein Schaltungsdiagramm noch eines anderen praktischen Beispiels
der induktiven Lastansteuerungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung;
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15 ist
ein Schaltungsdiagramm noch eines anderen praktischen Beispiels
der induktiven Lastansteuerungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung;
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16 ist
ein Schaltungsdiagramm noch eines anderen praktischen Beispiels
der induktiven Lastansteuerungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung;
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17 ist
ein Schaltungsdiagramm noch eines anderen praktischen Beispiels
der induktiven Lastansteuerungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung;
und
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18 ist
ein Schaltungsdiagramm eines herkömmlichen Beispiels einer induktiven
Lastansteuerungsvorrichtung.
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Beste Form zur Durchführung der
Erfindung
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sZur
vorliegenden Erfindung gehörende praktische
Beispiele der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlerschaltung und von induktiven
Lastansteuerungsvorrichtungen, in denen diese Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlerschaltung
verwendet wird, werden in Bezug auf die Figuren beschrieben.
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1 zeigt
das erste praktische Beispiel der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlerschaltung
der vorliegenden Erfindung.
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Der
Betrieb dieser Schaltung wird mit Bezug auf die Figur beschrieben.
Ein Schalter Sw wird zu einem bestimmten Zeitpunkt an- und ausgeschaltet.
In einem geschlossenen Stromkreis A, welcher sich aus einer Stromquelle
E, einer Spule L und dem Schalter Sw zusammensetzt, bewirkt, wenn
der Schalter Sw angeschaltet ist, der Strom, der durch die Spule
L fließt,
dass Energie in der Spule L gespeichert wird.
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Wenn
der Schalter Sw dann ausgeschaltet wird, verlagert sich der Strompfad
zu einem geschlossenen Stromkreis B, welcher aus der Stromquelle,
der Spule L und einem Kondensator C zusammengesetzt ist, und zu
dem Zeitpunkt, zu dem der Schalter Sw ausgeschaltet wird, wird eine
Hochspannung an beiden Enden der Spule L mit einer Dioden D-Seite
als der Hochspannungsseite erzeugt, und der Kondensator C beginnt
sich durch die Diode D aufzuladen. Die Diode D ist eingefügt, um das
Kurzschließen
des Kondensators C zu verhindern, wenn der Schalter Sw dann wieder
eingeschaltet wird.
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Während der
Schalter Sw wiederholt an- und ausgeschaltet wird, wird der Kondensator
C allmählich
auf eine Hochspannung aufgeladen, und mehr Energie wird im Kondensator
C gespeichert.
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In
diesem praktischen Beispiel wird eine Vormagnetisierung mittels
eines Permanentmagneten Mg an den magnetischen Kern der Spule L
angelegt, welche dazu verwendet wird, diesen Kondensator C in der
Richtung aufzuladen, welche der Richtung des durch das Durchführen des
Stroms erzeugten Richtung des magnetischen Flusses entgegengesetzt
ist, wodurch der Betätigungspunkt
der B-H-Kurve verschoben wird, was es erlaubt, mehr Energie zu speichern.
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Dieses
Prinzip ist in 2 illustriert. 2(a) zeigt eine typische B-H-Kurve einer Spule.
Zur einfachen Beschreibung wird dies in modellhafter Form in 2(b) beschrieben. Wenn der Stromfluss zu dieser
Zeit die Flussdichten auf einen Punkt a angehoben hat, entspricht
die in der Spule gespeicherte Energie dem Bereich Wa, welcher durch
die Schraffur angedeutet ist. Falls eine Vormagnetisierung an diese
Spule angelegt wird und der Betätigungspunkt verschoben
wird, kann mehr Energie gespeichert werden, wie durch den schraffierten
Bereich in 2(c) gezeigt.
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Die
in diesem praktischen Beispiel verwendete Methode, den Betätigungspunkt
zu verschieben, ist es, durch Nutzung des Permanentmagneten Mg eine
Vorspannung an den magnetischen Kern der Spule L anzulegen. Als
ein Ergebnis wird die Energiedichte pro Oberflächeneinheit des magnetischen Kerns
angehoben, und die Spule L, welche verwendet wird, um den Kondensator
C aufzuladen, kann kompakter und leichtgewichtiger sein, während der gleiche
Betrag an Energie weiterhin erreicht wird. Falls eine Spule der
gleichen Größe verwendet
wird, kann dann mehr Energie durch ein einzelnes Schalten erlangt
werden.
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Der
Permanentmagnet Mg war dazu verwendet worden, in dem ersten praktischen
Beispiel die Vormagnetisierung anzulegen, aber es ist klar, dass der
gleiche Effekt gesehen werden kann, falls ein Elektromagnet Me stattdessen
verwendet wird. Ein Beispiel dafür
wird in 3 gezeigt. 3 ist
ein Beispiel der Verwendung einer einzelnen Induktivität.
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4 zeigt
ein praktisches Beispiel der induktiven Lastvorrichtung der vorliegenden
Erfindung, in welcher der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler, der in
oben genanntem ersten praktischen Beispiel gezeigt ist, verwendet
wird.
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In 4 wird
ein Vergleicher bzw. Komparator Co1 verwendet, um die Aufladespannung
des Kondensators einzustellen. Der Komparator Co1 vergleicht die
Anschlussspannung des Kondensators C mit einer Referenzspannung
Vc, und falls die Spannung des Kondensators C niedriger ist als
Referenzspannung Vc, wird ein Unterbrechersignal bzw. Interrupt-Signal
C1 an den Schalter Sw1 eingegeben, um den Schalter Sw1 zu öffnen und
zu schließen,
und die Energie der Spule L wird in den Kondensator C geladen. Zum
Beginn der Ansteuerung, wenn Strom zur induktiven Last L1 fließt, ist
der Schalter Sw2 geschlossen, und die Spannung, die den Kondensator C
aufgeladen hat, wird als Steueranfangsspannung verwendet. Eine Struktur
wie diese erlaubt eine Verbesserung im Anstieg des Stroms, welcher
zur induktiven Last L1 fließt.
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Ein
Komparator kann auch dazu verwendet werden, den Wert I des Stroms,
welcher zur induktiven Last L1 fließt, einzustellen. Beispielsweise
wird ein Widerstand R in Serie zur induktiven Last L1 eingesetzt,
wird beispielsweise eine Messvorrichtung Cd zum Messen der Spannung
an beiden Enden des Widerstands R vorgesehen, und vergleicht ein
Komparator Co2 den gemessenen Wert mit einem Referenzwert Vs und
bestimmt den Stromwert I. Falls der Stromwert I größer als
der Referenzwert ist, wird Schalter Sw2 geöffnet, und falls er geringer
ist als der Referenzwert, wird Schalter Sw2 geschlossen. Eine Wiederholung
dieses Vorgangs erlaubt es, den Strom, welcher durch die induktive
Last L1 fließt,
zu steuern. Eine Schaltung, welche das Öffnen und Schließen eines
Schalters auf der Grundlage einer Auswertung der Randbedingungen
steuert, wird im Folgenden als eine Schaltersteuerungsschaltung Chp
bezeichnet.
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5 zeigt
ein weiteres praktisches Beispiel der induktiven Lastvorrichtung
der vorliegenden Erfindung.
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In 5 umfasst
diese Schaltung einen ersten geschlossenen Stromkreis A, welcher
dazu befähigt
ist, einen Strom von einer Batterie oder einer anderen solchen Stromquelle
E direkt einer induktiven Last L1 bereitzustellen, weiterhin einen
Kondensator C, dessen Minusanschluss geerdet ist, eine Ladeschaltung 10,
mittels der dieser Kondensator C von einer Batterie oder einer anderen
solchen Stromquelle E mit einer bestimmten Spannung Vc, welche höher ist
als die Spannung E der Stromquelle, aufgeladen werden kann, einen
zweiten geschlossenen Stromkreis C, welcher den Kondensator C und
die Ladeschaltung 10 einschließt, einen dritten geschlossenen
Stromkreis B, welcher dazu ausgelegt ist, einen Strom vom Kondensator
C in die induktive Last L einzuspeisen, und einen Schalter Sw2,
mittels dessen der erste geschlossene Stromkreis A und der dritte
geschlossene Stromkreis B geöffnet
und geschlossen werden können.
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Der
Schalter Sw2 wird in der folgenden Sequenz zu einem Zeitpunkt, welcher
durch eine Steuervorrichtung gesteuert wird, an- und ausgeschaltet.
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Zuerst
ist der Schalter Sw2 ausgeschaltet, wenn kein Strom zur induktiven
Last L1 fließt.
Mittels des geschlossenen Stromkreises C führt die Betätigung der Ladeschaltung 10 dazu,
dass der Kondensator C mit der spezifischen Spannung Vc aufgeladen
wird. In der Figur wird die Ladeschaltung 10 als diejenige
des praktischen Beispiels 1 dargestellt, aber die Ladeschaltung
ist nicht darauf beschränkt.
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Als
nächstes
wird der Schalter Sw2 an dem Punkt geschlossen, wenn der Erregerstrom
I zu fließen
beginnt, wenn es für
den zur induktiven Last L1 fließenden
Erregerstrom I wünschenswert
ist, schnell anzusteigen. Als ein Ergebnis wird die an beiden Enden
des Kondensators C anliegende Spannung Vc in die induktive Last
L1 eingespeist, und die im Kondensator C gespeicherte Ladung bewirkt,
dass der Erregerstrom I rapide in die Höhe geht.
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Wenn
der Schalter Sw2 geschlossen ist und die im Kondensator C gespeicherte
Ladung zur induktiven Last L1 fließt, ergibt sich eine Verminderung in
der Spannung des Kondensators C. Wenn die Spannung Vc des Kondensators
C gleich der Spannung E der Stromquelle wird, wird die Diode Da
aktiviert, der geschlossene Stromkreis A arbeitet, die Spannung
E der Stromquelle wird direkt durch die Diode Da in die induktive
Last L1 eingespeist, und der zur induktiven Last L1 fließende Strom
wird aufrechterhalten. Daher ergibt sich keine weitere Verminderung
in der Spannung des Kondensators C.
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Wiederholung
dieser Serie von Operationen erlaubt es, die induktive Last L1 mit
hoher Geschwindigkeit anzusteuern, und erlaubt es, die Zeitverzögerung von
der Anstiegszeit des Stroms zu eliminieren.
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Die
Steuerung des Stroms I, der zur induktiven Last L1 fließt, kann
auch erreicht werden durch Öffnen
und Schließen
des Schalters Sw2 mit einer Kombination aus der gleichen Messvorrichtung
Cd und Schaltersteuerungsschaltung Chp wie im Beispiel aus 4.
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6 zeigt
noch ein weiteres praktisches Beispiel der induktiven Lastansteuerungsvorrichtung der
vorliegenden Erfindung. Die induktive Lastansteuerungsvorrichtung
in diesem praktischen Beispiel weist zusätzlich zum Schalter Sw2 aus
dem praktischen Beispiel in 10 einen
Schalter Sw3 auf. Der Schalter Sw3 ist zwischen der induktiven Last
L1 und der Erde platziert, und eine Diode Df ist zwischen dem Schalter
Sw3 und dem Kondensator C vorgesehen, welche zum Laden vom Verbindungspunkt
der induktiven Last L1 und des Schalters Sw3 verwendet wird, wodurch
ein kreisförmiger
Pfad erzeugt wird.
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Mittels
dieser Schaltung werden der Schalter Sw2 und der Schalter Sw3 simultan
während
des Stromanstiegs angeschaltet. Um den zur Last L1 fließenden Strom
I auf einen festgesetzten Wert zu steuern, wird der Schalter Sw3
ausgeschaltet, wenn der Strom I größer ist als der festgesetzte
Wert, und angeschaltet, wenn der Strom I kleiner ist, so dass der Stromwert
sich an den gesetzten Wert anpasst. Nachdem der Zeitraum, in welchem
die Last L1 angesteuert wird, beendet wird, werden die Schalter
Sw2 und Sw3 simultan ausgeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt kann die
durch die Last L1 fließende
Energie des Stroms I durch die Diode Df geleitet werden, um den
Kondensator C aufzuladen, was es erlaubt, die Leistungsaufnahme
zu reduzieren und die Gesamteffizienz zu erhöhen.
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In
der Figur bezeichnet Z eine Spannungssteuervorrichtung, welche verwendet
wird, wenn eine übermäßige Spannung
an den Schalter Sw3 angelegt wird.
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7 zeigt
noch ein anderes praktisches Beispiel, in dem ein regenerativer
("regenerative") bzw. rückkoppelnder
Pumpkondensator in einer Schaltung vorgesehen ist, in welcher die
Energie des Stroms I, welcher durch die Last L1 fließt, umläuft.
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Der
Betrieb wird hier in Bezug auf 7 beschrieben.
Der Kondensator C1 wird mittels einer Ladeschaltung mit einer in
Bezug auf die Erde hohen negativen Spannung aufgeladen. Der Schalter
Sw3 ist derjenige Schalter, welcher den Ladeumlaufpfad bestimmt
und welcher während
der Ladesteuerung immer geschlossen ist.
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Das
Schließen
des Schalters Sw2 während des
Anstiegs des Stroms in Bezug auf die Last L1 erlaubt es, die Hochspannung
des Kondensators C1 in die Last L1 einzuspeisen. Wenn eine normale
Ansteuerung durchgeführt
wird, ist nur der Schalter Sw1 geschlossen, die Spannung E der Stromquelle
wird direkt an die Last L1 angelegt, und der Strom wird erhöht.
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Falls
zu dieser Zeit der Schalter Sw3 synchron zu dem Schalter Sw1 und
dem Schalter Sw2 geöffnet
und geschlossen wird, besteht kein Bedarf an der Diode D2, aber
in der aktuellen Praxis besteht ein gewisses Maß an Unterschied in der Synchronisation,
und falls irgendeine Art von Überlapp
erzeugt wird, wird sich ein Kurzschluss zwischen der Erde und der
Stromquelle von Schalter Sw3 durch Schalter Sw1 oder Schalter Sw2
ergeben, so dass die Diode D2 aus Sicherheitsgründen vorgesehen ist.
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Betrachten
wir nun einen Fall, in dem der Strom I der Last L1 reduziert wird.
Wenn der Schalter Sw3 geschlossen und die Schalter Sw1 und Sw2 geöffnet sind,
zirkuliert der Strom durch den Schalter Sw3, und die in der induktiven
Last L1 gespeicherte Energie wird durch den innerhalb des Zirkulationspfades
vorhandenen Widerstand etc. durch Umwandlung in Wärme aufgebraucht.
Hierbei, falls also der Schalter Sw3 geöffnet ist, wird die in der
induktiven Last L1 gespeicherte Energie den rückkoppelnden Pumpkondensator
C2 aufladen. Eine geeignete Auswahl der Kapazität des Kondensators C2 erlaubt es,
die Anstiegsrate der Anschlussspannung des Kondensators C2 pro Zeiteinheit
zu bestimmen. Dies wird mit der benötigten Abfallrate im Ladestrom
I kombiniert, um eine Kapazität
auszuwählen,
was es erlaubt, den Kondensator C2 schnell über die Stromquellenspannung
aufzuladen, und wobei die in der induktiven Last L1 gespeicherte
Energie ebenfalls absorbiert wird. Wenn die Anschlussspannung des Kondensators
C2 über
der Stromquellenspannung liegt, erlaubt es das erneute Schließen des
Schalters Sw3, dass die im Kondensator C2 gespeicherte Energie sich
aus der Stromquelle E einfach wieder erneuert. Daher resultiert
das Öffnen
und Schließen von
Schalter Sw3 darin, dass die in der induktiven Last L1 gespeicherte
Energie an der Stromquelle E erneuert wird.
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8 zeigt
noch ein anderes praktisches Beispiel der induktiven Lastansteuerungsvorrichtung der
vorliegenden Erfindung, welche eine Schaltung darstellt, in welcher
Schalter Sw5 und Sw6 und Dioden D2 und D3 zu der Schaltung aus 7 hinzugefügt worden
sind.
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Der
Betrieb während
des Stromanstiegs in Bezug auf die induktive Last L1 ist der gleiche
wie im praktischen Beispiel von 7 gezeigt.
Wenn die Abfallrate im Laststrom I vergrößert werden soll, wird die
in der induktiven Last L1 gespeicherte Energie schnell in den rückkoppelnden
Pumpkondensator C2 geladen, wenn der Schalter Sw5 geöffnet ist,
und die Anschlussspannung des rückkoppelnden
Pumpkondensators C2 wird schnell ansteigen. Sobald die Anschlussspannung
die Stromquellenspannung überschritten
hat, wird die in dem rückkoppelnden
Pumpkondensator C2 gespeicherte Energie an der Stromquelle erneuert,
wenn der Schalter Sw5 geschlossen ist, und die Spannung des rückkoppelnden
Pumpkondensators C2 wird auf die Stromquellenspannung abfallen.
Danach wird der Ladestrom I ebenfalls kontinuierlich an der Stromquelle
durch die Diode D3 erneuert. Als ein Ergebnis erlaubt es die Steuerung
des Öffnens
und Schließens
von Schalter Sw5, die in der induktiven Last L1 gespeicherte Energie
an der Stromquelle mit der gewünschten
Rate zu erneuern.
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9 zeigt
noch ein anderes praktisches Beispiel der induktiven Lastansteuerungsvorrichtung der
vorliegenden Erfindung. In diesem praktischen Beispiel vergleicht
eine Schaltung, die die Anschlussspannung des rückkoppelnden Pumpkondensators C2 überwacht,
diese mit einem Referenzwert und steuert den Zeitpunkt des Öffnens und
Schließens von
Schalter Sw5 nach dem Vergleich (???) Resultate wird hinzugefügt zu der
Schaltung in 8 (???).
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Wenn
die Anschlussspannung des rückkoppelnden
Pumpkondensators C2 niedriger ist als der Referenzwert, öffnet die
Schaltersteuerungsschaltung Chp den Schalter Sw5 und lädt den Kondensator
C2 mittels des Laststroms I. Wenn die Anschlussspannung des Kondensators
C2 höher
ist als die Referenzspannung, schließt die Schaltersteuerungsschaltung
Chp den Schalter Sw5 und erneuert die im Kondensator C2 gespeicherte
Energie an der Stromquelle E. In diesem Beispiel ist das Öffnen und Schließen von
Schalter Sw5 in Abhängigkeit
von der Anschlussspannung des Kondensators C2 automatisch gesteuert.
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10 und 11 zeigen
immer noch praktische Beispiele der induktiven Lastansteuerungsvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Anstatt die in dem rückkoppelnden Pumpkondensator
C2 gespeicherte Energie an der Stromquelle E zu erneuern, wird sie über einen
Entladewiderstand R aus 10 entladen
und wird durch ein Spannungsbegrenzungselement (so wie eine Zener-Diode
oder ein ZNR) aus 11 entladen.
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12 zeigt
noch ein anderes praktisches Beispiel der induktiven Lastansteuerungsvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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In
diesem praktischen Beispiel wird die in dem rückkoppelnden Pumpkondensator
C2 gespeicherte Energie nicht an der Stromquelle E erneuert, sondern
wird über
einen Ladekondensator C1 der Ladeschaltung. Wenn sämtliche
der Schalter Sw1 bis Sw5 geöffnet
sind, wird der rückkoppelnde
Pumpkondensator C2 durch den durch die induktive Last L1 fließenden Strom
aufgeladen. Wenn die Ladespannung dieses Kondensators C2 höher ist
als die Ladespannung des Ladekondensators C1 der Ladeschaltung,
erlaubt es ein Öffnen
des Schalters Sw5, die im Kondensator C2 gespeicherte Energie am
Kondensator C1 zu erneuern.
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Das
Erneuern der Energie am Kondensator C1 anstatt an der Stromquelle
E erlaubt es daher, die Energie ohne Vergeudung während des
folgenden Ansteuerns der induktiven Last L1 zu nutzen.
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13 zeigt
noch ein praktisches Beispiel der induktiven Lastansteuerungsvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung. In diesem praktischen Beispiel wird die Stromquelle E
mittels des Schalters Sw1 über
einen als eine erste Stromsteuervorrichtung dienenden Widerstand
R1 an die induktiven Last L1 angelegt, und der Ladekondensator C
der Ladeschaltung ist direkt mit der induktiven Last L1 verbunden,
ohne durch einen Widerstand oder ähnliches durchzugehen.
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Ein
Widerstand R2 ist eine zweite Stromsteuervorrichtung, welche in
den zirkulierenden Pfad der induktiven Last L1 eingebracht ist,
und dient dazu, die in der induktiven Last L1 gespeicherte Energie
zu absorbieren, wenn beide Schalter Sw1 und Sw2 geöffnet sind.
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14 zeigt
noch ein anderes praktisches Beispiel der induktiven Lastansteuerungsvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Wie
aus den 13 und 14 ersichtlich, wird
die Gesamtschaltung mittels der Serienschaltung in diesem praktischen
Beispiel, welche durch die Betätigung
der Schalter Sw1 und Sw2 funktioniert, unabhängig davon betreibbar sein,
wo auf der Schaltung die verschiedenen bestimmenden Elemente positioniert
sind. In 13 ist die Struktur so, dass
der Pluspol des Ladekondensators C geerdet ist, und eine negative
Spannung geladen wird.
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15 zeigt
noch ein weiteres praktisches Beispiel der induktiven Lastansteuerungsvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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In
diesem praktischen Beispiel führt
der zirkulierende Pfad des Ladestroms durch die Stromquelle E, wenn
die Schalter Sw1 und Sw2 beide geöffnet sind, was bedeutet, dass
ein unabhängiger
zirkulierender Pfad ausgelassen ist, und die Schaltung vereinfacht
wird.
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Hier
wird das Spannungsbegrenzungselement Zd als das Strombegrenzungselement
verwendet, und dieses Spannungsbegrenzungselement Zd wird parallel
zum Schalter Sw1 eingebaut. Ein Festlegen des begrenzenden Stromwerts
dieses Strombegrenzungselements Zd auf einen Wert höher als die
Spannung der Stromquelle erlaubt es, mit Abschluss der Zirkulation
der induktiven Last L1 den Laststrom bis ganz herunter auf Null
zu reduzieren.
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Das
spannungsbegrenzende Element Zd kann auch parallel zum Schalter
Sw2 installiert werden, aber da dieses den Strom vom Ladekondensator
C abblockt, muss der begrenzende Span nungswert auf ein höheres Niveau
angehoben werden, wodurch die Effizienz leidet.
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16 ist
ein praktisches Beispiel, in dem ein Flächentransistor als Schaltvorrichtung
verwendet wird. Eine Logikschaltung wird als diejenige Schaltung
verwendet, welche die Schaltvorrichtung steuert.
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Die
Schaltung wird betätigt,
wenn ein positives Eingangssignal zum Eingang IN gesendet wird, ein
Hochspannungsanwendungsschalter Tr2 für eine bestimmte Zeit, welche
durch den Widerstand R2 und den Kondensator C2 bestimmt wird, angeschaltet
wird, und ein Anwendungsschalter Tr1 der Stromquelle E zur gleichen
Zeit angeschaltet wird.
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Die
Diode D1 verhindert zu dieser Zeit, dass die auf der Ladeseite vorhandene
Hochspannung zur Stromquelle zurückfließt. Falls
der Hochspannungsanwendungsschalter Tr2 geöffnet wird, nachdem die bestimmte
Zeit vergangen ist, wird der Ladestrom durch den Widerstand R reduziert
und wird zu einem stationärer
Steuerstrom.
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Sobald
der Eingang IN 0 V erreicht hat, werden die Schalter Tr1 und Tr2
unbedingt geöffnet,
der Ladestrom zirkuliert durch den Zirkulationspfad einschließlich des
spannungsbegrenzenden Elements Zd, und die Energie wird durch das
spannungsbegrenzende Element Zd schnell absorbiert und gedämpft.
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17 ist
noch ein weiteres praktisches Beispiel der induktiven Lastansteuerungsvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Der Minuspol des Ladekondensators C ist mit dem Pluspol
der Stromquelle E verbunden, und die Kondensatorspannung wird zur
Stromquellenspannung hinzuaddiert, so dass sich eine höhere Spannung
ergibt, und die Effizienz verbessert wird.
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Wie
oben beschrieben, wird bei der vorliegenden Erfindung eine Vormagnetisierung
an den magnetischen Kern einer Spule durch Verwendung eines Permanentmagneten
oder eines Elektromagneten angelegt, und eine magnetisierte Spule,
deren Energieeinheit pro Oberflächeneinheit
des magnetischen Kerns vergrößert worden
ist, wird dazu verwendet, einen Kondensator mittels eines Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers,
welcher eine Ladeschaltung einer induktiven Ladeansteuerschaltung bildet,
aufzuladen, so dass die Spule kompakter und leichter gemacht werden
kann, um die gleiche Energie zu erhalten. Falls zudem eine Spule
der gleichen Größe verwendet
wird, kann mehr Energie während eines
einzelnen Schaltvorgangs erhalten werden. Daher kann die Ladeschaltung
kompakter, leichter und effizienter gemacht werden, und die induktive Lastansteuerungsvorrichtung
selbst kann wiederum kompakter, leichter und effizienter gemacht
werden.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Bei
der vorliegenden Erfindung wird eine Vormagnetisierung an den magnetischen
Kern einer Spule durch die Verwendung eines Permanentmagneten oder
eines Elektromagneten angelegt, die Energiedichte pro Oberflächeneinheit
des magnetischen Kerns wird erhöht,
und der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler,
welcher die Ladeschaltung einer induktiven Lastansteuerungsvorrichtung bildet,
wird kompakter und leichter gemacht. Solch eine induktive Ansteuerungsvorrichtung
ist effektiv zum Steuern von großen bordeigenen Motoren in Kränen und
dgl. sowie zum Ansteuern aller induktiven Lasten.