WO1993021683A1 - Voltage transformer - Google Patents

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WO1993021683A1
WO1993021683A1 PCT/DE1993/000349 DE9300349W WO9321683A1 WO 1993021683 A1 WO1993021683 A1 WO 1993021683A1 DE 9300349 W DE9300349 W DE 9300349W WO 9321683 A1 WO9321683 A1 WO 9321683A1
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WO
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voltage
input
current
converter according
setpoint
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PCT/DE1993/000349
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German (de)
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Inventor
Harry Gaus
Original Assignee
Industrie Automation Mikroelektronik Gmbh & Co.
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Filing date
Publication date
Application filed by Industrie Automation Mikroelektronik Gmbh & Co. filed Critical Industrie Automation Mikroelektronik Gmbh & Co.
Publication of WO1993021683A1 publication Critical patent/WO1993021683A1/en

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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/42Circuits or arrangements for compensating for or adjusting power factor in converters or inverters
    • H02M1/4208Arrangements for improving power factor of AC input
    • H02M1/4258Arrangements for improving power factor of AC input using a single converter stage both for correction of AC input power factor and generation of a regulated and galvanically isolated DC output voltage
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02BCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • the invention relates to a voltage converter with a rectifier for an input AC voltage and a switching converter which is clocked with a pulse-width-modulated control signal at a frequency substantially higher than that of the input AC voltage.
  • Voltage converters have become known which draw an approximately sinusoidal current with a power factor of almost 1 from the mains (US Pat. No. 4,677,366). With these voltage converters, an active sine filter is connected upstream of the actual switching converter. This filter consists of a rectifier, an auxiliary capacitor that is much smaller than the usual charging capacitors, and a step-up converter that stores the sinusoidal current drawn in an intermediate circuit capacitor.
  • the active converter which can be constructed according to one of the known circuit principles, is connected downstream of the active sine filter, which provides a constant voltage at its output which is higher than the peak voltage of the mains voltage.
  • This known voltage converter thus draws an approximately sinusoidal current from the network with a favorable power factor, but two separately clocked stages with control devices and an intermediate circuit capacitor are required, which means a large space requirement and a heat sensitivity.
  • a large starting current flows because no current limitation by the step-up converter is possible.
  • Special start-up circuits are required to protect the rectifier or the mains fuse.
  • the object of the present invention is to provide, while avoiding these further disadvantages, a voltage converter which is particularly suitable as a battery charger, preferably as a so-called on-board charger.
  • the voltage converter according to the invention is characterized in that the rectified input AC voltage can be fed to the switching converter without using an energy store (charging capacitor) which is effective at the frequency of the input AC voltage and that a controller is provided for pulse width modulation of the control signal, on the one hand the value of the switching converter withdrawn current (I.,) and on the other hand an at least approximately sinusoidal 2 -shaped setpoint (I ,,) can be supplied, the at least approximately sinusoidal 2 -shaped curve being synchronized with the AC input voltage.
  • an energy store charging capacitor
  • the voltage converter according to the invention has the advantage that the current drawn from the mains is practically sinusoidal and in phase with the mains voltage, and is particularly suitable for battery chargers.
  • a further development of the invention enables control of the output voltage in that the setpoint is formed by a signal with an at least approximately sinusoidal 2 -shaped curve, the amplitude of which is dependent on the output variable of a further regulator, and in that the further regulator, on the one hand, the output voltage of the switching converter and on the other hand, a voltage setpoint can be supplied.
  • the output variable of the further controller is sampled at the time the output current passes through zero and the value obtained by the sampling is followed by the following Sampling is saved. This ensures when charging a battery over longer lines that the voltage of the battery is measured without the voltage drop in the lines.
  • Charging characteristics usually contain several sections with constant voltage and constant current of various sizes. According to an advantageous embodiment of this development, a limit value for the current can be set by limiting the output variable or the sampled and stored output variable of the further controller.
  • Another development of the invention consists in the fact that the at least approximately sinusoidal 2- shaped course of the setpoint and possibly further variables are derived by a processor according to a suitable program.
  • Suitable processors are known per se and can be implemented, for example, by microcomputers or microprocessors.
  • An advantageous embodiment of the voltage converter according to the invention in which the switching converter comprises an isolating transformer with a primary winding and a secondary winding, consists in that the output variable of the regulator via means for electrically isolated
  • Transformer is fed to a pulse width modulator for generating the control signal and that a signal derived from the mains alternating voltage is fed to an input of the processor for synchronization via further means for electrically isolated signal transmission (transformer). This ensures complete network separation. A good approximation of the input current to the desired sinusoidal shape results with a relatively simple generation of the profile of the current setpoint in that the current setpoint has an essentially trapezoidal profile.
  • the current setpoint takes the value 0 in a predetermined range around the zero crossing of the AC input voltage, preferably ⁇ 30 °. This avoids undefined conditions in the area of the zero crossings.
  • a simple way of generating a trapezoidal current setpoint value is that a processor can control a number of analog switches which connect the setpoint input of the controller and the input of the integrator to fixed potentials during time intervals output by the processor.
  • FIG. 5 shows a second embodiment
  • FIG. 6 timing diagrams in the second embodiment.
  • the input AC voltage of, for example, 230 V ff input terminals 1, 2 can be fed in.
  • a rectifier circuit 3 follows, the outputs of which are connected to a capacitor 4.
  • This capacitor is dimensioned such that it which can supply energy for one clock cycle at a time, but does not maintain a sufficient voltage over a period of the input AC voltage, the DC voltage thus pulsating is supplied to a switching converter 5. Since switching converters of this type are known per se, only those for understanding the invention are shown in FIG necessary parts of the switching converter 5 are shown, namely a power transistor 6, " a transformer 7 with a primary winding 8 and a secondary winding 9.
  • One end of the secondary winding 9 is connected to an output terminal 11 via a rectifier 10, while a current measuring resistor 13 is connected between the other end of the secondary winding 9 and another output terminal 12.
  • a capacitor 14 is provided to suppress high-frequency voltage peaks.
  • a pulse width modulator 16 which generates a control signal for the power transistor 6 in that clock pulses, is used to control the power transistor 6 predetermined frequency can be modulated with a control voltage supplied to the pulse width modulator 16.
  • the frequency of the clock pulses is, for example, 50 kHz and, depending on the circumstances, can also be significantly higher or lower.
  • a current regulator 17 is provided in order to achieve the greatest possible sinusoidal current load, the inputs of which are supplied as the actual value, the current measured by the current measuring resistor 13 and a setpoint value I -,.
  • the regulator 18 is also called voltage regulator in the following.
  • the output voltage U.. and a setpoint U supplied.
  • the output voltage of the voltage regulator 18 is guided to be explained later influences at 19 and 20 to a multiplier 21, multiplied by the aid of a sine 2 -shaped voltage and the current controller 17 is fed as a current setpoint.
  • a processor 22 is provided to generate the voltage command value U - ,, and the sine 2 -shaped waveform of the desired current value I - .
  • This gives calculated instantaneous values in the form of pulse-width-modulated pulses PWM via an output 23, 24.
  • the pulse-width-modulated pulses are each converted into a continuous voltage profile in an integration circuit 25, 26, U,, essentially forming a DC voltage, the change over time, for example according to the requirements of the respective charging process.
  • a further rectifier circuit 28 is connected to the input terminals 1, 2 via a resistor, which operates a light-emitting diode 29 in a pulsating manner. Together with a phototransistor 30, this forms an optocoupler, from the pulses reach an input 31 of the processor 22 and synchronize it. Because of the required po ential separation, the output voltage of the current regulator 17 is also supplied to the control input of the pulse width modulator 16 via an optocoupler 32, 33.
  • the output voltage of the voltage regulator 18 is sampled with the aid of the switch 19 (line c in FIG. 2) and stored in a capacitor 34 until the next sampling time. This ensures that the output voltage is measured when there is no current flow. When using longer supply lines between the terminals 11, 12 to the battery, the voltage actually present on the battery is measured.
  • Charging characteristics of batteries usually contain several sections with constant voltage or constant current of different sizes.
  • the target voltage has already been mentioned been.
  • the target current or its limit can be output by a further processor output 36 in the form of a pulse-width-modulated signal and then integrated at 37.
  • a limiter circuit 20 is controlled with the output voltage of the integrator 37 in such a way that the size of the multiplicant generated by the voltage regulator 18 for the target current is arbitrarily limited.
  • Lines a to c of FIG. 2 have already been mentioned in connection with the explanation of FIG. 1.
  • Line d represents the course of the input AC voltage U. (solid line) and the course of the likewise sinusoidal E Eininnggaannggss - WWeecchhsseellssttrroommss II .. ((ggeessttrriicchheellttee LLiinniiee)) ddaa: r.
  • Fig. 2 also contains a mlattlematical derivation of the EEiinnggaannggsssttrroommss II .., which shows that the input current is sinusoidal.
  • the switching converter is in the exemplary embodiment according to FIG. 5 in a push-pull arrangement with so-called
  • a modulator 41 for controlling the power transistors 42, 43, a current measuring resistor 44, a transformer 45 and two rectifiers 46, 47 are shown as essential parts of the switching converter.
  • the positive output is connected to the output terminal 11 via a choke 48, while the output terminal 12 is connected via the current measuring resistor 13 to the center tap of the secondary winding of the transformer 45.
  • the use of the push-pull arrangement with so-called current mode control is particularly advantageous for the regulation of a large input voltage range.
  • the input voltage of the switching converter can assume values from 0 V to approximately 350 V corresponding to a half-sine wave.
  • the small capacitor 4 is only intended to deliver the impulse flow in the microsecond range, but not to smooth the 100 Hz ripple.
  • the voltage threshold above which energy can be drawn from the network depends only on the transformation ratio of the transformer and on the maximum duty cycle of the control signal generated by the modulator 41.
  • the duty cycle of the push-pull converter is twice that of a single-ended converter. Therefore the push-pull converter is particularly well suited for an unsmoothed input voltage.
  • a voltage supply circuit 49 is connected to the rectifier circuit 3, which generates a smoothed and preferably also stabilized DC voltage in a manner known per se.
  • the pulse-shaped current draw by the voltage supply circuit 49 is not disadvantageous.
  • a processor 50 which has three inputs 51, 52, 53 for analog signals and three outputs 54, 55, 56 for binary signals.
  • the secondary-side circuits including the processor 50 and the current regulator 17 are supplied with operating voltage U_ by a voltage supply circuit 57, the feeds not being shown in detail in FIG. 5.
  • the voltage supply circuit 57 also generates a reference voltage U f , which is fed to the input 53 of the processor 50.
  • the input 52 of the processor 50 receives, via a voltage divider 58, the output voltage of the voltage converter as the actual value U.,. After the voltage drop across the current measuring resistor 13 has been amplified with the aid of an amplifier 59, the current actual value I, an input of the current regulator 17 and the input 51 of the processor 50 are supplied.
  • the voltage regulation in the exemplary embodiment according to FIG. 5 is in the form of a PI algorithm in the processor, for example executed. This algorithm therefore essentially replaces the circuit parts 18, 19, 20 and 21 in the
  • three controllable switches 61, 62, 63 and an integrator 64 to 68 are provided to form an approximately sinusoidal 2- shaped current setpoint.
  • the controllable switches are controlled via the outputs 54 to 56 of the processor 50.
  • the integrator consists of a differential amplifier 64, to whose right-inverting input a reference voltage of the size U / 2 is supplied.
  • the inverting input is connected via a resistor 67, 68 to each of the controllable switches 62, 63 and via a capacitor 66 to the output.
  • the output of the differential amplifier 64 is connected via a resistor 65 to the input of the current regulator 17 provided for the current setpoint. This input can be connected to ground via the controllable switch 61.
  • Line a shows the signal at the output 54 and thus the switching state of the switch 61, "1" being conductive and "0" being non-conductive. This sets I •, - to 0 during a phase angle from -30 ° to + 30 ° or 150 ° to 210 °.
  • Line b of FIG. 6 shows the output signal at 55 and, accordingly, the position of the switch 62. If the switch 62 is closed, the integrator becomes one Reference voltage U supplied, so that the output signal of the integrator drops linearly. During the closing time of switch 63, the integrator input is connected to ground, which causes a linear increase in the output voltage of the integrator. If both switches are not conductive, the output voltage of the integrator maintains the value reached in each case.
  • Line f shows the resulting current consumption from the network, the phase shift being 0 - that is, no reactive current is drawn.
  • the slight deviation from the ideal shape is meaningless.
  • the advantage of the voltage converter according to the invention is considerable.

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Abstract

The voltage transformer described has a rectifier for an a.c. input voltage and a switching converter which is pulsed by a pulse-width-modulated control signal at a significantly higher frequency than the a.c. input voltage. The invention calls for the rectified a.c. input voltage to be fed to the switching converter without using an energy-storage device (reservoir capacitor) acting at the frequency of the a.c. input voltage. For pulse-width modulation of the control signal, a controller is fitted to which are fed (a) the value of the current (Iactual?) taken from the switching converter and (b) the value of an at least approximately sine?2-shaped reference signal (Iref?), the at least approximately sine?2-shaped signal being synchronized with the a.c. input voltage.

Description

SpannungswandlerVoltage converter
Die Erfindung betrifft einen Spannungswandler mit einem Gleichrichter für eine Eingangs-Wechselspannung und einem Schaltwandler, der mit einem pulsbreitenmodulierten Steuersignal wesentlich höherer Frequenz als diejenige der Eingangs-Wechselspannung getaktet wird.The invention relates to a voltage converter with a rectifier for an input AC voltage and a switching converter which is clocked with a pulse-width-modulated control signal at a frequency substantially higher than that of the input AC voltage.
Zur Umformung von Netzwechselspannung in eine beliebige Gleichspannung sind verschiedene Spannungswandler bekanntgeworden. Nach dem Stand der Technik weisen Spannungswandler der genannten Art einen Gleichrichter und einen großen Kondensator zur Entnahme und Zwischenspeicherung der aus dem Netz entnommenen Energie auf. Der Kondensator wird auch als Gleichspannungszwischenkreis bezeichnet. Diesem Zwischenkreis ist der eigentliche Wandler nachgeschaltet, für den sehr viele verschiedene Schaltungsprinzipien bekannt sind. Allen gemeinsam ist, daß die Gleichspannung durch mindestens eine Halbleiterschaltung in eine hochfrequente Wechselspannung umgeformt und diese dann mit Mitteln der allgemeinen Wechselstrom- und Regeltechnik zu einer gewünschten Ausgangsgleichspannung umgewandelt wird.Various voltage converters have become known for converting AC line voltage into any DC voltage. According to the prior art, voltage converters of the type mentioned have a rectifier and a large capacitor for removing and temporarily storing the energy removed from the network. The capacitor is also known as a DC link. The actual converter, for which many different circuit principles are known, is connected downstream of this intermediate circuit. Common to all is that the DC voltage is converted into a high-frequency AC voltage by at least one semiconductor circuit and this is then converted to a desired DC output voltage by means of general AC and control technology.
Bei den bekannten Spannungswandlern mit dem Gleichspannungszwischenkreis bestehen jedoch verschiedene Nachteile. Zum einen fließt beim Anlegen des Wandlers an das Netz ein großer Anlaufström. Zum anderen ist der Leistungsfaktor klein und kapazitiv. Schließlich werden dem Netz sehr hohe kurzzeitige Stromimpulse entnommen. Die beiden letzgenannten Nachteile führen dazu, daß bei einer gegebenen Strombelastbarkeit des Netzes von beispielsweise 16 A ff nur eine kleine Wirkleistung entnehmbar ist. Diese Begrenzung der Wirkleistung stört beispielsweise bei Ladegeräten für Batterien auf Elektrofahrzeugen, sogenannten Bordladern, bei denen in kurzer Zeit möglichst viel Energie in die Batterie zurückgeladen werden soll.In the known voltage converters with the DC voltage intermediate circuit, however, there are various disadvantages. On the one hand, a large starting current flows when the converter is connected to the network. The other is Power factor small and capacitive. Finally, very high short-term current pulses are taken from the network. The two last-mentioned disadvantages mean that, given a current capacity of the network of, for example, 16 A ff, only a small active power can be drawn. This limitation of the active power interferes, for example, with chargers for batteries on electric vehicles, so-called on-board chargers, in which as much energy as possible is to be loaded back into the battery.
Es sind Spannungswandler bekanntgeworden, die einen annähernd sinus-förmigen Strom mit einem Leistungsfaktor von nahezu 1 ans dem Netz entnehmen (US 4,677,366). Bei diesen Spannungswandlern ist ein aktives Sinusfilter dem eigentlichen Schaltwandler vorgeschaltet. Dieses Filter besteht aus einem Gleichrichter, einem Hilfskondensator, der wesentlich kleiner als die üblichen Ladekondensatoren ist, und einem Hochsetzsteller, der den sinus-förmig entnommenen Strom in einem Zwischenkreiskondensator speichert.Voltage converters have become known which draw an approximately sinusoidal current with a power factor of almost 1 from the mains (US Pat. No. 4,677,366). With these voltage converters, an active sine filter is connected upstream of the actual switching converter. This filter consists of a rectifier, an auxiliary capacitor that is much smaller than the usual charging capacitors, and a step-up converter that stores the sinusoidal current drawn in an intermediate circuit capacitor.
Dem aktiven Sinusfilter, das eine konstante Spannung an seinem Ausgang bereitstellt, welche höher als die Scheitelspannung der Netzspannung ist, ist der eigentliche Wandler nachgeschaltet, der nach einem der bekannten Schaltungsprinzipien aufgebaut sein kann. Damit entnimmt dieser bekannte Spannungswandler dem Netz zwar einen annähernd sinus-förmigen Strom mit einem günstigen Leistungsfaktor, es werden jedoch zwei getrennt getaktete Stufen mit Steuereinrichtungen und ein Zwischenkreiskondensator benötigt, der einen großen Raumbedarf und eine Waremeempfindlichkeit bedeutet. Außerdem fließt wie bei den anderen bekannten Spannungswandlern mit Zwischenkreiskondensator ein großer Anlaufstrom, da keine Strombegrenzung durch den Hochsetzsteller möglich ist. Spezielle AnlaufSchaltungen sind erforderlich, um den Gleichrichter bzw- die Netzsicherung zu schützen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, unter Vermeidung dieser weiteren Nachteile einen Spannungswandler anzugeben, der insbesondere als Batterieladegerät, vorzugsweise als sogenannter Bordlader, geeignet ist.The active converter, which can be constructed according to one of the known circuit principles, is connected downstream of the active sine filter, which provides a constant voltage at its output which is higher than the peak voltage of the mains voltage. This known voltage converter thus draws an approximately sinusoidal current from the network with a favorable power factor, but two separately clocked stages with control devices and an intermediate circuit capacitor are required, which means a large space requirement and a heat sensitivity. In addition, as with the other known voltage converters with an intermediate circuit capacitor, a large starting current flows because no current limitation by the step-up converter is possible. Special start-up circuits are required to protect the rectifier or the mains fuse. The object of the present invention is to provide, while avoiding these further disadvantages, a voltage converter which is particularly suitable as a battery charger, preferably as a so-called on-board charger.
Der erfindungsgemäße Spannungswandler ist dadurch gekennzeichnet, daß dem Schaltwandler die gleichgerichtete Eingangs-Wechselspannung ohne Anwendung eines bei der Frequenz der Eingangs-Wechselspannung wirksamen Energiespeichers (Ladekondensator) zuführbar ist und daß zur Pulsbreitenmodulation des Steuersignals ein Regler vorgesehen ist, dem einerseits der Wert des dem Schaltwandler entnommenen Stroms (I . , ) und andererseits ein mindestens angenähert sinus2-förmig verlaufender Sollwert (I ,, ) zuführbar sind, wobei der mindestens angenähert sinus2-förmige Verlauf mit der Eingangs-Wechselspannung synchronisiert ist.The voltage converter according to the invention is characterized in that the rectified input AC voltage can be fed to the switching converter without using an energy store (charging capacitor) which is effective at the frequency of the input AC voltage and that a controller is provided for pulse width modulation of the control signal, on the one hand the value of the switching converter withdrawn current (I.,) and on the other hand an at least approximately sinusoidal 2 -shaped setpoint (I ,,) can be supplied, the at least approximately sinusoidal 2 -shaped curve being synchronized with the AC input voltage.
Der erfindungsgemäße Spannungswandler hat den Vorteil, daß der aus dem Netz entnommene Strom praktisch sinus-förmig und in Phase mit der Netzspannung ist, und ist insbesondere für Batterieladegeräte geeignet.The voltage converter according to the invention has the advantage that the current drawn from the mains is practically sinusoidal and in phase with the mains voltage, and is particularly suitable for battery chargers.
Eine Weiterbildung der Erfindung ermöglicht eine Regelung der AusgangsSpannung dadurch, daß der Sollwert von einem Signal mit mindestens angenähert sinus2-förmigem Verlauf gebildet ist, dessen Amplitude von der Ausgangsgröße eines weiteren Reglers abhängig ist, und daß dem weiteren Regler einerseits die AusgangsSpannung des Schaltwandlers und andererseits ein Spannungs-Sollwert zuführbar sind.A further development of the invention enables control of the output voltage in that the setpoint is formed by a signal with an at least approximately sinusoidal 2 -shaped curve, the amplitude of which is dependent on the output variable of a further regulator, and in that the further regulator, on the one hand, the output voltage of the switching converter and on the other hand, a voltage setpoint can be supplied.
Eine andere Weiterbildung besteht darin, daß die Ausgangsgröße des weiteren Reglers zur Zeit des Nulldurchgangs des Ausgangsstroms abgetastet wird und der durch die Abtastung erhaltene Wert bis zur folgenden Abtastung gespeichert wird. Hierdurch wird bei der Ladung einer Batterie über längere Leitungen sichergestellt, daß die Spannung der Batterie ohne den Spannungsabfall in den Leitungen gemessen wird.Another development is that the output variable of the further controller is sampled at the time the output current passes through zero and the value obtained by the sampling is followed by the following Sampling is saved. This ensures when charging a battery over longer lines that the voltage of the battery is measured without the voltage drop in the lines.
Ladekennlinien enthalten meistens mehrere Abschnitte mit konstanter Spannung und konstantem Strom verschiedener Größe» Ein Grenzwert für den Strom kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung dieser Weiterbildung dadurch festgelegt werden, daß die Ausgangsgröße bzw. die abgetastete und gespeicherte Ausgangsgröße des weiteren Reglers begrenzt wird.Charging characteristics usually contain several sections with constant voltage and constant current of various sizes. According to an advantageous embodiment of this development, a limit value for the current can be set by limiting the output variable or the sampled and stored output variable of the further controller.
Eine andere Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der mindestens angenähert sinus2-förmige Verlauf des Sollwertes und gegebenenfalls weitere Größen von einem Prozessor nach einem geeigneten Programm abgeleitet werden. Geeignete Prozessoren sind an sich bekannt und können beispielsweise durch Mikrocomputer bzw. Mikroprozessoren realisiert werden.Another development of the invention consists in the fact that the at least approximately sinusoidal 2- shaped course of the setpoint and possibly further variables are derived by a processor according to a suitable program. Suitable processors are known per se and can be implemented, for example, by microcomputers or microprocessors.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spannungswandlers, bei welchem der Schaltwandler einen Trenntransformator umfaßt mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, besteht darin, daß die Ausgangsgröße des Reglers über Mittel zur potentialgetrenntenAn advantageous embodiment of the voltage converter according to the invention, in which the switching converter comprises an isolating transformer with a primary winding and a secondary winding, consists in that the output variable of the regulator via means for electrically isolated
Signalübertragung (Transformator) einem Pulsbreitenmodulator zur Erzeugung des Steuersignals zugeführt wird und daß über weitere Mittel zur potentialgetrennten Signalübertragung (Transformator) ein von der Netzwechselspannung abgeleitetes Signal einem Eingang des Prozessors zur Synchronisierung zugeleitet wird. Hierdurch wird eine vollständige Netztrennung erzielt. Eine gute Annäherung des Eingangstroms an die angestrebte Sinusform ergibt sich bei einer relativ einfachen Erzeugung des Verlaufs des Stromsollwertes dadurch, daß der Stromsollwert einen im wesentlichen trapezförmigen Verlauf aufweist.Signal transmission (transformer) is fed to a pulse width modulator for generating the control signal and that a signal derived from the mains alternating voltage is fed to an input of the processor for synchronization via further means for electrically isolated signal transmission (transformer). This ensures complete network separation. A good approximation of the input current to the desired sinusoidal shape results with a relatively simple generation of the profile of the current setpoint in that the current setpoint has an essentially trapezoidal profile.
Gemäß einer anderen Weiterbildung ist vorgesehen, daß der Stromsollwert in einem vorgegebenen Bereich um den Nulldurchgang der Eingangswechselspannung, vorzugsweise ±30°, den Wert 0 einnimmt. Dadurch werden Undefinierte Zustände im Bereich der Nulldurchgänge vermieden.According to another development, it is provided that the current setpoint takes the value 0 in a predetermined range around the zero crossing of the AC input voltage, preferably ± 30 °. This avoids undefined conditions in the area of the zero crossings.
Eine einfache Möglichkeit zur Erzeugung eines trapezförmigen Stromsollwertes besteht darin, daß von einem Prozessor mehrere Analogschalter steuerbar sind, welche den Sollwerteingang des Reglers und den Eingang des Integrators während vom Prozessor ausgegebener Zeitintervalle mit festen Potentialen verbinden.A simple way of generating a trapezoidal current setpoint value is that a processor can control a number of analog switches which connect the setpoint input of the controller and the input of the integrator to fixed potentials during time intervals output by the processor.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing using several figures and are explained in more detail in the following description. It shows:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel,1 shows a first embodiment,
Fig. 2 Zeitdiagramme von Strömen und Spannungen beim ersten Ausführungsbeispiel mit einem sinus2-förmigen Stromsollwert,2 time diagrams of currents and voltages in the first embodiment with a sinusoidal 2 current setpoint,
Fig. 3 Zeitdiagramme bei dem ersten Ausführungsbeispiel mit einem trapezförmigen Verlauf des Stromsollwertes,3 time diagrams in the first embodiment with a trapezoidal profile of the current setpoint,
Fig. 4 Zeitdiagramme zur Verdeutlichung des Stromflußwinkels bei einem bekannten Spannungswandler, Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel und4 time diagrams to illustrate the current flow angle in a known voltage converter, Fig. 5 shows a second embodiment and
Fig. 6 Zeitdiagramme beim zweiten Ausführungsbeispiel.Fig. 6 timing diagrams in the second embodiment.
Gleiche Teile sind in den Figuren- mit gleichen Bezugszeichen versehen.Identical parts are provided with the same reference symbols in the figures.
Bei" dem ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist die Eingangs-Wechselspannung von beispielsweise 230 V ff Eingangsklemmen 1 , 2 zuführbar. Es schließt sich eine Gleichrichterschaltung 3 an, deren Ausgänge mit einem Kondensator 4 verbunden sind. Dieser Kondensator ist derart dimensioniert, daß er die Energie für jeweils eine Taktperiode liefern kann, jedoch nicht eine ausreichende Spannung über eine Periode der Eingangswechselspannung hält. Die somit pulsierende Gleichspannung wird einem Schaltwandler 5 zugeführt. Da derartige Schaltwandler an sich bekannt sind, sind in Fig. 1 nur die zum Verständnis der Erfindung erforderlichen Teile des Schaltwandlers 5 dargestellt, nämlich ein Leistungstransistor 6," ein Übertrager 7 mit einer Primärwicklung 8 und einer Sekundärwicklung 9.In the first exemplary embodiment according to FIG. 1, the input AC voltage of, for example, 230 V ff input terminals 1, 2 can be fed in. A rectifier circuit 3 follows, the outputs of which are connected to a capacitor 4. This capacitor is dimensioned such that it which can supply energy for one clock cycle at a time, but does not maintain a sufficient voltage over a period of the input AC voltage, the DC voltage thus pulsating is supplied to a switching converter 5. Since switching converters of this type are known per se, only those for understanding the invention are shown in FIG necessary parts of the switching converter 5 are shown, namely a power transistor 6, " a transformer 7 with a primary winding 8 and a secondary winding 9.
Ein Ende der Sekundärwicklung 9 ist über einen Gleichrichter 10 mit einer Ausgangsklemme 11 verbunden, während zwischen das andere Ende der Sekundärwicklung 9 und einer anderen Ausgangsklemme 12 ein Strommeßwiderstand 13 geschaltet ist. Zur Unterdrückung von hochfrequenten Spannungsspitzen ist ein Kondensator 14 vorgesehen.One end of the secondary winding 9 is connected to an output terminal 11 via a rectifier 10, while a current measuring resistor 13 is connected between the other end of the secondary winding 9 and another output terminal 12. A capacitor 14 is provided to suppress high-frequency voltage peaks.
Aus Sicherheitsgründen ist zwischen dem Primärteil und dem Sekundärteil des Schaltwandlers eine Potentialtrennung vorgesehen, die in Fig. 1 als gestrichelte Linie 15 dargestellt ist. Zur Ansteuerung des Leistungstransistör 6 dient ein Pulsbreitenmodulator 16, der ein Steuersignal für den Leistungstransistor 6 dadurch erzeugt, daß Taktimpulse vorgegebener Frequenz mit einer dem Pulsbreitenmodulator 16 zugeführten Steuerspannung moduliert werden. Die Frequenz der Taktimpulse beträgt beispielsweise 50 kHz und kann je nach Gegebenheiten im einzelnen auch wesentlich höher oder niedriger sein.For safety reasons, a potential separation is provided between the primary part and the secondary part of the switching converter, which is shown in FIG. 1 as a dashed line 15. A pulse width modulator 16, which generates a control signal for the power transistor 6 in that clock pulses, is used to control the power transistor 6 predetermined frequency can be modulated with a control voltage supplied to the pulse width modulator 16. The frequency of the clock pulses is, for example, 50 kHz and, depending on the circumstances, can also be significantly higher or lower.
Zur Erzielung einer möglichst weitgehend sinus-förmigen Strombelastung ist ein Stromregler 17 vorgesehen, dessen Eingängen als Istwert der vom Strommeßwiderstand 13 gemessene Strom und ein Sollwert I -, , zugeführt werden. Zur Regelung der AusgangsSpannung dient ein weiterer Regler 18, der einen Regelkreis bildet, welcher dem Stromregler überlagert ist. Der Regler 18 wird im folgenden auch Spannungsregler genannt. Ihm werden die AusgangsSpannung U. . und ein Sollwert U ,, zugeführt. Die AusgangsSpannung des Spannungsreglers 18 wird nach später zu erläuternden Beeinflussungen bei 19 und 20 zu einem Multiplizierer 21 geleitet, mit dessen Hilfe eine sinus2-förmige Spannung multipliziert und dem Stromregler 17 als Stromsollwert zugeführt wird. Zur Erzeugung des Spannungs-Sollwertes U -,, und des sinus2-förmigen Verlaufs des Stromsollwertes I -,-, ist ein Prozessor 22 vorgesehen. Dieser gibt jeweils berechnete Momentanwerte in Form von pulsbreitenmodulierten Impulsen PWM über je einen Ausgang 23, 24. Die pulsbreitenmodulierten Impulse werden in je einer Integrationsschaltung 25, 26 zu einem kontinuierlichen Spannungsverlauf umgeformt, wobei U , , im wesentlichen eine Gleichspannung bildet, deren zeitliche Änderung beispielsweise nach den Erfordernissen des jeweiligen Ladevorganges erfolgt.A current regulator 17 is provided in order to achieve the greatest possible sinusoidal current load, the inputs of which are supplied as the actual value, the current measured by the current measuring resistor 13 and a setpoint value I -,. A further regulator 18, which forms a control loop which is superimposed on the current regulator, serves to regulate the output voltage. The regulator 18 is also called voltage regulator in the following. The output voltage U.. and a setpoint U ,, supplied. The output voltage of the voltage regulator 18 is guided to be explained later influences at 19 and 20 to a multiplier 21, multiplied by the aid of a sine 2 -shaped voltage and the current controller 17 is fed as a current setpoint. To generate the voltage command value U - ,, and the sine 2 -shaped waveform of the desired current value I - ,, a processor 22 is provided. This gives calculated instantaneous values in the form of pulse-width-modulated pulses PWM via an output 23, 24. The pulse-width-modulated pulses are each converted into a continuous voltage profile in an integration circuit 25, 26, U,, essentially forming a DC voltage, the change over time, for example according to the requirements of the respective charging process.
Zur Synchronisation des Prozessors 22 ist an die Eingangsklemmen 1 , 2 über einen Widerstand eine weitere Gleichrichterschaltung 28 angeschlossen, welche eine lichtemittierende Diode 29 pulsierend betreibt. Diese bildet zusammen mit einem Fototransistor 30 einen Optokoppler, von dem Impulse zu einem Eingang 31 des Prozessors 22 gelangen und diesen synchronisieren. Wegen der erforderlichen Po entialtrennung wird die AusgangsSpannung des Stromreglers 17 ebenfalls über einen Optokoppler 32, 33 dem Steuereingang des Pulsbreitenmodulators 16 zugeführt.To synchronize the processor 22, a further rectifier circuit 28 is connected to the input terminals 1, 2 via a resistor, which operates a light-emitting diode 29 in a pulsating manner. Together with a phototransistor 30, this forms an optocoupler, from the pulses reach an input 31 of the processor 22 and synchronize it. Because of the required po ential separation, the output voltage of the current regulator 17 is also supplied to the control input of the pulse width modulator 16 via an optocoupler 32, 33.
Durch die Wirkung des von dem Stromregler 17, dem Pulsbreitenmodulator 16, dem Schaltwandler 5 und dem Strommeßwiderstand 13 gebildeten Regelkreises nimmt der Ausgangsstrom I. , den zeitlichen Verlauf von I ,, an. Dabei wird vorausgesetzt, daß der Regelkreis genügend schnell ist, um der Vorgabe zu folgen. Bei der in Fig. 1 skizzierten sinus2-förmigen Vorgabe durch den Prozessor 22 ergibt sich somit die in Fig. 2, Zeile a dargestellte Kurvenform. Wie bereits eingangs erwähnt, ist eine derartige Kurvenform zum Laden von Batterien durchaus geeignet. Die dadurch entstehenden Schwankungen der Ausgangsspannung sind in Fig. 2, Zeile b dargestellt.Due to the action of the control loop formed by the current regulator 17, the pulse width modulator 16, the switching converter 5 and the current measuring resistor 13, the output current I. assumes the time profile of I ,,. It is assumed that the control loop is fast enough to follow the specification. In the case of the sinusoidal 2- shaped specification sketched in FIG. 1 by the processor 22, the curve shape shown in FIG. 2, line a results. As already mentioned at the beginning, such a curve shape is quite suitable for charging batteries. The resulting fluctuations in the output voltage are shown in FIG. 2, line b.
Zur Regelung der AusgangsSpannung wird bei dem Spannungswandler nach Fig. 1 während der Nulldurchgänge der Eingangs-Wechselspannung die Ausgangsspannung des Spannungsreglers 18 mit Hilfe des Schalters 19 (Zeile c in Fig. 2) abgetastet und in einem Kondensator 34 bis zum nächsten Abtastzeitpunkt gespeichert. Damit wird erreicht, daß die Ausgangsspannung dann gemessen wird, wenn kein Stromfluß erfolgt. Bei der Verwendung von längeren Zuleitungen zwischen den Klemmen 11, 12 zur Batterie wird somit die tatsächlich an der Batterie anliegende Spannung gemessen» Der Schalter 19 wird über einen Ausgang 35 vom Prozessor 22 bei jedem Nulldurchgang kurzzeitig in den leitenden Zustand gesteuert.To control the output voltage in the voltage converter according to FIG. 1, during the zero crossings of the AC input voltage, the output voltage of the voltage regulator 18 is sampled with the aid of the switch 19 (line c in FIG. 2) and stored in a capacitor 34 until the next sampling time. This ensures that the output voltage is measured when there is no current flow. When using longer supply lines between the terminals 11, 12 to the battery, the voltage actually present on the battery is measured.
Ladekennlinien von Batterien enthalten meistens mehrere Abschnitte mit konstanter Spannung oder konstantem Strom verschiedener Größe. Die Sollspannung ist bereits erwähnt worden. Der Sollstrom bzw. dessen Grenze kann durch einen weiteren Prozessorausgang 36 in Form eines pulsbreitenmodulierten Singals ausgegeben und anschließend bei 37 integriert werden. Mit der Ausgangsspannung des Integrators 37 wird eine Begrenzerschaltung 20 derart gesteuert, daß der vom Spannungsregler 18 erzeugte Multiplikant für den Sollstrom in seiner Größe beliebig beschränkt wird.Charging characteristics of batteries usually contain several sections with constant voltage or constant current of different sizes. The target voltage has already been mentioned been. The target current or its limit can be output by a further processor output 36 in the form of a pulse-width-modulated signal and then integrated at 37. A limiter circuit 20 is controlled with the output voltage of the integrator 37 in such a way that the size of the multiplicant generated by the voltage regulator 18 for the target current is arbitrarily limited.
Die Zeilen a bis c der Fig. 2 wurden bereits im Zusammenhang mit der Erläuterung von Fig. 1 erwähnt. Zeile d stellt den Verlauf der Eingangs-Wechselspannung U. (durchgezogene Linie) und den Verlauf des ebenfalls sinus-förmigen E Eiinnggaannggss--WWeecchhsseellssttrroommss II.. ((ggeessttrriicchheellttee LLiinniiee)) ddaa:r. Fig. 2 enthält ebenfalls eine mlaatthlematische Ableitung des EEiinnggaannggssssttrroommss II.. , welche zeigt, daß der Eingangsstrom sinus-förmig ist.Lines a to c of FIG. 2 have already been mentioned in connection with the explanation of FIG. 1. Line d represents the course of the input AC voltage U. (solid line) and the course of the likewise sinusoidal E Eininnggaannggss - WWeecchhsseellssttrroommss II .. ((ggeessttrriicchheellttee LLiinniiee)) ddaa: r. Fig. 2 also contains a mlattlematical derivation of the EEiinnggaannggssssttrroommss II .., which shows that the input current is sinusoidal.
Bei praktisch ausgeführten erfindungsgemäßen Spannungswandlern kann es zweckmäßig sein, von einem sinus2-förmigen Ausgangsstrom abzuweichen. Dieses kann einerseits eine Verminderung des Aufwandes bedeuten. Andererseits können durch eine Stromlücke im Bereich von beispielsweise ±30° um den Nulldurchgang Undefinierte Zustände vermieden werden. So können beispielsweise mit der in Fig. 3, Zeile b dargestellten Trapezform gute Ergebnisse bezüglich des Stromflußwinkels und des Leistungsfaktors erzielt werden. Eine solche Trapezform läßt sich in einfacher Weise dadurch herstellen, daß einem Integrator Impulse mit der in Zeile a dargestellten Form zugeführt werden. Zeile c stellt den Eingangsstrom in diesem Fall im Vergleich zu einem sinus-förmigen Eingangsstrom (gestrichelt) dar. Die Unterschiede zwischen beiden Stromformen sind in Zeile c schraffiert. Im Vergleich dazu ist in Fig. 4 die pulsierende Gleichspannung U und der Eingangsstrom I für den Fall eines bekannten Spannungswandlers mit einemIn the case of voltage converters according to the invention which are implemented in practice, it may be expedient to deviate from a sinusoidal 2- shaped output current. On the one hand, this can mean a reduction in effort. On the other hand, undefined states can be avoided by a current gap in the range of, for example, ± 30 ° around the zero crossing. For example, with the trapezoidal shape shown in FIG. 3, line b, good results can be achieved with regard to the current flow angle and the power factor. Such a trapezoidal shape can be produced in a simple manner by supplying an integrator with pulses with the shape shown in line a. Line c represents the input current in this case compared to a sinusoidal input current (dashed). The differences between the two current forms are hatched in line c. In comparison, the pulsating DC voltage U and the input current I in the case of a known voltage converter with a in FIG
Zwischenkreiskondensator dargestellt. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, ergibt sich ein Stromflußwinkel von nur etwa 30° bei einem Leistungsfaktor von 0,6 bis 0,7. Das zweite Ausführungsbeispiel wird im folgenden anhand der Figuren 5 und 6 erläutert, wobei im wesentlichen auf Unterschiede gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 eingegangen wird.DC link capacitor shown. As can be seen from the drawing, there is a current flow angle of only about 30 ° with a power factor of 0.6 to 0.7. The second exemplary embodiment is explained in the following with reference to FIGS. 5 and 6, wherein essentially differences from the exemplary embodiment according to FIG. 1 will be discussed.
Der Schaltwandler ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 in Gegentaktanordnung mit sogenannterThe switching converter is in the exemplary embodiment according to FIG. 5 in a push-pull arrangement with so-called
Current-Mode-Steuerung ausgeführt. Als wesentliche Teile des Schaltwandlers sind ein Modulator 41 zur Steuerung der Leistungstransistoren 42, 43, ein Strommeßwiderstand 44, ein Transformator 45 und zwei Gleichrichter 46, 47 dargestellt. Der positive Ausgang ist über eine Drossel 48 mit der Ausgangsklemme 11 verbunden, während die Ausgangsklemme 12 über den Strommeßwiderstand 13 an die Mittelanzapfung der Sekundärwicklung des Transformators 45 angeschlossen ist. Die Verwendung der Gegentaktanordnung mit sogenannter Current-Mode-Steuerung ist besonders vorteilhaft für die Ausregelung eines großen Eingangsspannungsbereichs. Dabei kann die Eingangsspannung des Schaltwandlers Werte von 0 V bis etwa 350 V entsprechend einer Sinushalbwelle annehmen.Current mode control executed. A modulator 41 for controlling the power transistors 42, 43, a current measuring resistor 44, a transformer 45 and two rectifiers 46, 47 are shown as essential parts of the switching converter. The positive output is connected to the output terminal 11 via a choke 48, while the output terminal 12 is connected via the current measuring resistor 13 to the center tap of the secondary winding of the transformer 45. The use of the push-pull arrangement with so-called current mode control is particularly advantageous for the regulation of a large input voltage range. The input voltage of the switching converter can assume values from 0 V to approximately 350 V corresponding to a half-sine wave.
Der kleine Kondensator 4 soll lediglich den Impulsström im Mikrosekundenbereich liefern, eine Glättung der 100-Hz-Welligkeit jedoch nicht bewirken. Die Spannungsschwelle, oberhalb der Enegie aus dem Netz entnommen werden kann, hängt bei gegebener Ausgangsspannung nur vom Übersetzungsverhältnis des Transformators und vom maximalen Tastverhältnis des vom Modulator 41 erzeugten Steuersignals ab. Das Tastverhältnis des Gegentaktwandlers ist doppelt so groß wie das eines Eintaktwandlers. Deshalb ist der Gegentaktwandler für eine ungeglättete Eingangsspannung besonders gut geeignet.The small capacitor 4 is only intended to deliver the impulse flow in the microsecond range, but not to smooth the 100 Hz ripple. For a given output voltage, the voltage threshold above which energy can be drawn from the network depends only on the transformation ratio of the transformer and on the maximum duty cycle of the control signal generated by the modulator 41. The duty cycle of the push-pull converter is twice that of a single-ended converter. Therefore the push-pull converter is particularly well suited for an unsmoothed input voltage.
Für die Versorgung des Modulators 41 ist eine Spannungsversorgungsschaltung 49 an die Gleichrichterschaltung 3 angeschlossen, die in an sich bekannter Weise eine geglättete und vorzugsweise auch stabilisierte Gleichspannung erzeugt. Da der Strombedarf für den Modulator jedoch recht gering ist, ist die impulsformige Stromentnahme durch die Spannungsversorgungsschaltung 49 jedoch nicht nachteilig.For the supply of the modulator 41, a voltage supply circuit 49 is connected to the rectifier circuit 3, which generates a smoothed and preferably also stabilized DC voltage in a manner known per se. However, since the current requirement for the modulator is quite low, the pulse-shaped current draw by the voltage supply circuit 49 is not disadvantageous.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist ein Prozessor 50 vorgesehen, der über drei Eingänge 51, 52, 53 für Analogsignale und drei Ausgänge 54, 55, 56 für binäre Signale verfügt. Die sekundärseitigen Schaltungen einschließlich des Prozessors 50 und des Stromreglers 17 werden von einer Spannungsversorgungsschaltung 57 mit Betriebsspannung U_ versorgt, wobei die Zuführungen im einzelnen in Fig. 5 nicht dargestellt sind. Die Spannungsversorgungsschaltung 57 erzeugt ferner eine Referenzspannung U f, die dem Eingang 53 des Prozessors 50 zugeleitet wird.5, a processor 50 is provided which has three inputs 51, 52, 53 for analog signals and three outputs 54, 55, 56 for binary signals. The secondary-side circuits including the processor 50 and the current regulator 17 are supplied with operating voltage U_ by a voltage supply circuit 57, the feeds not being shown in detail in FIG. 5. The voltage supply circuit 57 also generates a reference voltage U f , which is fed to the input 53 of the processor 50.
Der Eingang 52 des Prozessors 50 erhält über einen Spannungsteiler 58 die AusgangsSpannung des Spannungswandlers als Istwert U. , . Nach Verstärkung des Spannungsabfalls am Strommeßwiderstand 13 mit Hilfe eines Verstärkers 59 wird der Stromistwert I. , einem Eingang des Stromreglers 17 und dem Eingang 51 des Prozessors 50 zugeführt.The input 52 of the processor 50 receives, via a voltage divider 58, the output voltage of the voltage converter as the actual value U.,. After the voltage drop across the current measuring resistor 13 has been amplified with the aid of an amplifier 59, the current actual value I, an input of the current regulator 17 and the input 51 of the processor 50 are supplied.
Da sich.die Batteriespannung - also die Ausgangsspannung des Spannungswandlers - nur relativ langsam ändern kann, ist die Spannungsregelung beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 beispielsweise in Form eines PI-Algorithmus im Prozessor ausgeführt. Dieser Algorithmus ersetzt daher im wesentlichen die Schaltungsteile 18, 19, 20 und 21 bei demSince the battery voltage - that is, the output voltage of the voltage converter - can only change relatively slowly, the voltage regulation in the exemplary embodiment according to FIG. 5 is in the form of a PI algorithm in the processor, for example executed. This algorithm therefore essentially replaces the circuit parts 18, 19, 20 and 21 in the
Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Das Ergebnis derEmbodiment according to Fig. 1. The result of
Spannungsregelung beeinflußt die Amplitude desVoltage regulation affects the amplitude of the
Stromsollwertes Isol,l, .Current setpoint isol, l,.
Zur Bildung eines etwa sinus2-förmigen Stromsollwertes sind bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 drei steuerbare Schalter 61, 62, 63 und ein Integrator 64 bis 68 vorgesehen. Die steuerbaren Schalter werden über die Ausgänge 54 bis 56 des Prozessors 50 gesteuert. Der Integrator besteht aus einem Differenzverstärker 64, dessem riichtinvertierenden Eingang eine BezugsSpannung der Größe U /2 zugeführt wird. Der invertierende Eingang ist über je einen Widerstand 67, 68 mit je einem der steuerbaren Schalter 62, 63 und über einen Kondensator 66 mit dem Ausgang verbunden. Der Ausgang des DifferenzVerstärkers 64 ist über einen Widerstand 65 an den für den Stromsollwert vorgesehenen Eingang des Stromreglers 17 angeschlossen. Dieser Eingang kann über den steuerbaren Schalter 61 mit Masse verbunden werden.In the exemplary embodiment according to FIG. 5, three controllable switches 61, 62, 63 and an integrator 64 to 68 are provided to form an approximately sinusoidal 2- shaped current setpoint. The controllable switches are controlled via the outputs 54 to 56 of the processor 50. The integrator consists of a differential amplifier 64, to whose right-inverting input a reference voltage of the size U / 2 is supplied. The inverting input is connected via a resistor 67, 68 to each of the controllable switches 62, 63 and via a capacitor 66 to the output. The output of the differential amplifier 64 is connected via a resistor 65 to the input of the current regulator 17 provided for the current setpoint. This input can be connected to ground via the controllable switch 61.
Das Zusammenwirken der digitalen Signale an den Ausgängen 54 bis 56 des Prozessors 50 mit den steuerbaren Schaltern 61 bis 63 und dem Integrator zur Bildung des angenähert sinus2-förmigen Stromsollwertes wird im folgenden anhand von Fig. 6 näher erläutert. Zeile a zeigt das Signal am Ausgang 54 und damit den Schaltzustand des Schalters 61, wobei "1" leitend und "0" nichtleitend bedeutet. Dadurch wird während eines Phasenwinkels von -30° bis +30° bzw. 150° bis 210° I •,-, auf 0 gesetzt.The interaction of the digital signals at the outputs 54 to 56 of the processor 50 with the controllable switches 61 to 63 and the integrator to form the approximately sinusoidal 2 current setpoint is explained in more detail below with reference to FIG. 6. Line a shows the signal at the output 54 and thus the switching state of the switch 61, "1" being conductive and "0" being non-conductive. This sets I •, - to 0 during a phase angle from -30 ° to + 30 ° or 150 ° to 210 °.
Die zeitliche Lage und die Breite der Impulse des Signals bei 54 sind unabhägig vom Ausgangswert des Spannungsreglers. Zeile b der Fig. 6 zeigt das Ausgangssignal bei 55 und dementsprechend die Stellung des Schalters 62. Ist der Schalter 62 geschlossen, wird dem Integrator eine Bezugsspannung U zugeführt, so daß das Ausgangssignal des Integrators linear abfällt. Während der Schließzeit des Schalters 63 wird der Integratoreingang mit Masse verbunden, was einen linearen Anstieg der Ausgangsspannung des Integrators bewirkt. Sind beide Schalter nichtleitend, behält die AusgangsSpannung des Integrators den jeweils erreichten Wert bei.The timing and width of the pulses of the signal at 54 are independent of the output value of the voltage regulator. Line b of FIG. 6 shows the output signal at 55 and, accordingly, the position of the switch 62. If the switch 62 is closed, the integrator becomes one Reference voltage U supplied, so that the output signal of the integrator drops linearly. During the closing time of switch 63, the integrator input is connected to ground, which causes a linear increase in the output voltage of the integrator. If both switches are not conductive, the output voltage of the integrator maintains the value reached in each case.
Durch die zeitliche Verschiebung der Signale bei 55 und 56 in Pfeilrichtung verringert sich die Amplitude der in Zeile d der Fig. 6 dargestellten Kurvenform. Zeile e zeigt den Ausgangsstrom bei Vollaussteuerung im Vergleich zu dem an sich gewünschten sinus2-förmigen Verlauf. Die Annäherung ist recht gut.The time shift of the signals at 55 and 56 in the direction of the arrow reduces the amplitude of the curve shape shown in line d of FIG. 6. Line e shows the output current at full load, compared to the desired se sine 2 -shaped profile. The approximation is pretty good.
Zeile f zeigt die resultierende Stromaufnähme aus dem Netz, wobei die Phasenverschiebung 0 ist - das heißt, es wird kein Blindstrom entnommen. Die geringe Abweichung von der Idealform ist bedeutungslos. Im Vergleich zu einem konventionellen Spannungswandler mit einem Leistungsfaktor (cos phi) von 0,6 bis 0,7 und einem Stromflußwinkel von circa 30° ist der Vorteil des erfindungsgemäßen Spannungswandlers erheblich.Line f shows the resulting current consumption from the network, the phase shift being 0 - that is, no reactive current is drawn. The slight deviation from the ideal shape is meaningless. In comparison to a conventional voltage converter with a power factor (cos phi) of 0.6 to 0.7 and a current flow angle of approximately 30 °, the advantage of the voltage converter according to the invention is considerable.
Soll die Lücke um den Nulldurchgang, in der Energie nicht aus dem Netz entnommen wird, weiter verkleinert werden, steigt der Aufwand am Transformator wegen eines ungünstiger werdenden Übersetzungsverhältnisses und bei der Funkentstörung wegen zunehmender Pulsamplituden stark an. Die in Zeilen e unf f der Fig. 6 gezeigten Kurvenformen stellen günstige Kompromisse dar. If the gap around the zero crossing, in which energy is not drawn from the network, is to be narrowed further, the outlay on the transformer rises sharply due to an increasingly unfavorable transmission ratio and for radio interference suppression due to increasing pulse amplitudes. The curve shapes shown in lines e and f of FIG. 6 represent favorable compromises.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Spannungswandler mit einem Gleichrichter für eine Eingangs-Wechselspannung und einem Schaltwandler, der mit einem pulsbreitenmodulierten Steuersignal wesentlich höherer Frequenz als diejenige der Eingangs-Wechselspannung getaktet wird, -dadurch gekennzeichnet, daß dem Schaltwandler die gleichgerichtete Eingangs-Wechselspannung ohne Anwendung eines bei der Frequenz der Eingangs-Wechselspannung wirksamen Energiespeichers (Ladekondensator) zuführbar ist und daß zur Pulsbreitenmodulätion des Steuersignals ein Regler vorgesehen ist, dem einerseits der Wert des dem Schaltwandler entnommenen Stroms (I. . ) und andererseits ein mindestens angenähert sinus2-förmig verlaufender Sollwert1.Voltage converter with a rectifier for an input AC voltage and a switching converter which is clocked with a pulse-width-modulated control signal of a frequency substantially higher than that of the input AC voltage, characterized in that the switching converter has the rectified input AC voltage without using one at the frequency the input AC voltage effective energy storage (charging capacitor) can be supplied and that a controller is provided for pulse width modulation of the control signal, which on the one hand the value of the current drawn from the switching converter (I..) and on the other hand an at least approximately sinusoidal 2 -shaped setpoint
(I ,, ) zuführbar sind, wobei der mindestens angenähert sinus2-förmige Verlauf mit der Eingangs-Wechselspannung synchronisiert ist.(I ,,) can be supplied, the at least approximately sinusoidal 2- shaped curve being synchronized with the input AC voltage.
2. Spannungswandler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert von einem Signal mit mindestens angenähert sinus2-förmigem Verlauf gebildet ist, dessen Amplitude von der Ausgangsgröße eines weiteren Reglers abhängig ist, und daß dem weiteren Regler einerseits die AusgangsSpannung des Schaltwandlers und andererseits ein Spannungs-Sollwert zuführbar sind.2. Voltage converter according to claim 1, characterized in that the setpoint is formed by a signal with at least approximately sinusoidal 2 -shaped course, the amplitude of which depends on the output variable of a further regulator, and that the further regulator on the one hand the output voltage of the switching converter and on the other hand a voltage setpoint can be supplied.
3. Spannungswandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgröße des weiteren Reglers zur Zeit des Nulldurchgangs des Ausgangsstroms abgetastet wird und der durch die Abtastung erhaltene Wert bis zur folgenden Abtastung gespeichert wird.3. Voltage converter according to claim 2, characterized in that the output variable of the further controller is sampled at the time of the zero crossing of the output current and the value obtained by the sampling up to following scan is saved.
4. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgröße bzw. die abgetastete und gespeicherte Ausgangsgröße des weiteren Reglers begrenzt wird.4. Voltage converter according to one of claims 2 or 3, characterized in that the output variable or the sampled and stored output variable of the further controller is limited.
5. Spannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens angenähert sinus2-förmige Verlauf des Sollwertes und gegebenenfalls weitere Größen von einem Prozessor nach einem geeigneten Programm abgeleitet werden.5. Voltage converter according to one of the preceding claims, characterized in that the at least approximately sinusoidal 2- shaped course of the setpoint and, if appropriate, further variables are derived from a processor according to a suitable program.
6. Spannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Schaltwandler einen Trenntransformator umfaßt mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgröße des Reglers über Mittel zur potentialgetrennten Signalübertragung (Transformator) einem Pulsbreitenmodulator zur Erzeugung des Steuersignals zugeführt wird und daß über weitere Mittel zur potentialgetrennten Signalübertragung (Transformator) ein von der Netzwechselspannung abgeleitetes Signal einem Eingang des Prozessors zur Synchronisierung zugeleitet wird.6. Voltage converter according to one of the preceding claims, in which the switching converter comprises an isolating transformer with a primary winding and a secondary winding, characterized in that the output variable of the controller is supplied via means for electrically isolated signal transmission (transformer) to a pulse width modulator for generating the control signal and that further means for electrically isolated signal transmission (transformer) a signal derived from the mains alternating voltage is fed to an input of the processor for synchronization.
7. Spannungswandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung mit einer Gegentaktschaltung verbunden ist.7. Voltage converter according to claim 6, characterized in that the primary winding is connected to a push-pull circuit.
8. Spannungswandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung mit einer Brückenschaltung aus vier Transistoren verbunden ist.8. Voltage converter according to claim 6, characterized in that the primary winding is connected to a bridge circuit of four transistors.
9. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsregler durch ein geeignetes Prozessorprogramm realisiert ist. 9. Voltage converter according to one of claims 2 to 8, characterized in that the voltage regulator is implemented by a suitable processor program.
10. Spannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromsollwert etwa einen sinus2-förmigen Verlauf aufweist.10. Voltage converter according to one of the preceding claims, characterized in that the current setpoint has approximately a sinusoidal 2- shaped course.
11. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromsollwert einen im wesentlichen trapezförmigen Verlauf aufweist.11. Voltage converter according to one of claims 1 to 9, characterized in that the current setpoint has a substantially trapezoidal shape.
12. Spannungswandler nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß der Stromsollwert in einem vorgegebenen Bereich um den Nulldurchgang der Eingangswechselspannung, vorzugsweise ±30°, den Wert 0 einnimmt.12. Voltage converter according to claim 11, characterized in that the current setpoint in a predetermined range around the zero crossing of the input AC voltage, preferably ± 30 °, assumes the value 0.
13. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß von einem Prozessor mehrere Analogschalter steuerbar sind, welche den Sollwerteingang des Reglers und den Eingang des Integrators während vom Prozessor ausgegebener Zeitintervalle mit festen Potentialen verbinden. 13. Voltage converter according to one of claims 11 or 12, characterized in that a plurality of analog switches can be controlled by a processor, which connect the setpoint input of the controller and the input of the integrator during time intervals output by the processor with fixed potentials.
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