DE19515210A1 - Schaltnetzteil, insbesondere Netzregenerator - Google Patents
Schaltnetzteil, insbesondere NetzregeneratorInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Schaltnetzteil, insbesondere Netzregenerator, zur
Regeneration einer an einem Eingangskreis anliegenden mit Schwankungen behafteten
Eingangsspannung UE eines AC- oder DC-Versorgungsnetzes in eine an einem mit
einer Last CA, LA belasteten Ausgangskreis anliegende einstellbare konstante Aus
gangsspannung UA oder einen einstellbaren konstanten Ausgangsstrom IA, mit einem
aus Spannungsregler KU und Stromregler M bestehendem Regelkreis.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Versorgungsnetzen der Industrie, Telekommu
nikation und Bordnetzen von Fahrzeugen jeglicher Art treten sekundär erzeugte Störun
gen auf. Dabei müssen Systemanwender, die an diesen Versorgungsnetzen arbeiten,
nicht nur Maßnahmen gegen natürlich erzeugte Störungen (z. B. Blitzschlag) ergreifen,
sondern auch gegen solche, die vom Mitbenutzer des Netzes erzeugt werden.
Ein erheblicher Mangel fast aller Versorgungsnetze ist, daß der statische Nenneingangs
spannungsbereich, je nach Beschaffenheit des Netzes bzw. der Batterie, Schwankungen
von bis zu größer als +/-40% aufweist (EN 50 155) oder auf 12 V (24 V)-Fahrzeugen
die Bordnetze bis < 6,5 V (9,5 V) einbrechen. Die Spannungseinbrüche können von den
angeschlossenen Elektroniksystemen bzw. Stromversorgungen nicht verkraftet werden,
so daß es zu Störungen kommen kann.
Ein besonderes Problem in diesem Zusammenhang stellt dabei einerseits die sichere
Spannungsversorgung für Relais und Schütze und andererseits eine sichere Stromver
sorgung für stromproportionale Ventile im Hydraulik- und Pneumatikbereich bzw. für
Lüfter dar (Verbraucher genannt).
Da elektromechanische Schaltelemente wie Relais und Schütze bei Unterschreiten einer
minimalen Eingangsspannung aufgrund ihrer physikalischen, magnetischen und mecha
nischen Grenzen nicht mehr sicher anziehen bzw. angezogen bleiben, führen Schwan
kungen der Versorgungsspannung zu Fehlfunktionen. Aus dem Stand der Technik ist
einerseits bekannt, die Versorgungsspannungen mittels Überwachungsschaltungen zu
überwachen. In Katastrophensituationen wie z. B. zu tiefe Eingangsspannung durch
Lastaufschaltung, lange Leitungswege oder nicht ideale Versorgungsquellen, kann nicht
reagiert werden. Andererseits werden aufwendige Neuentwicklungen für Schütze betrie
ben, um auch bei schwankenden Eingangsspannungen ein sicheres Anziehen des
Schützes zu gewährleisten. Dies ist jedoch mit erheblichen Kosten verbunden.
Auch ist gegeben, daß Verbraucher wie Schütze in angezogenem Zustand an Nennspan
nungen bzw. Spannungen höher als deren Nennspannungen betrieben werden, wodurch
ein erheblicher Leistungsverlust verursacht wird. Auch können die Schütze bei Überspannungen
im Netz zerstört werden bzw. die Lebensdauererwartungen der Schütze
kann dadurch sinken. Gewollt oder ungewollt, auf alle Fälle unkontrolliert würde sich
Drehzahl und Drehmoment von Lüftern ändern.
Zur Ansteuerung stromproportionaler Ventile werden nach dem Stand der Technik
Servo- oder Regelverstärker eingesetzt, die z. B. aus Netztransformatoren gespeist und
linear oder geschoppt auf eine Nennspannung UN geregelt werden. Derartige Lösungen
sind jedoch sehr teuer. Ferner ist noch zu erwähnen, daß beim Einsatz von Tief- oder
Hochsetzstellern die Ausgangsspannung nicht auf Nennspannung des Netzes eingestellt
bzw. geregelt werden kann.
Beim Tiefsetzsteller wird bei Defekten des Transistors die Eingangsspannung auf den
Ausgang durchgeschaltet. Beim Hochsetzsteller bildet der Ausgangskondensator beim
Aufschalten der Eingangsspannung einen dynamischen Kurzschluß und die Schaltung
ist nicht kurzschlußgeschützt.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein einstufiges Schaltnetzteil
zur Verfügung zu stellen, das ohne Kostensteigerung die eingangs erwähnten Nachteile
beseitigt. Das Schaltnetzteil soll kurzschlußfest sein und einen einfachen Aufbau auf
weisen. Das Schaltnetzteil soll bei konstanter Ausgangsspannung extreme Schwankun
gen der Eingangsspannung verarbeiten können, wobei die Ausgangsspannung in weiten
Bereichen einstellbar ist. Auch sollen die Netzeigenschaften durch Leistungsfaktorver
besserung verbessert werden. Des weiteren ist eine Potentialtrennung zwischen Ein
gangskreis und Ausgangskreis vorgesehen.
Das Problem der Erfindung wird unter anderem dadurch gelöst, daß in dem Eingangs
kreis eine erste Drosselspule D1.1 vorgesehen ist, die über eine Verbindungsstelle in
Serie mit einem Kondensator CS verbunden ist, der über eine zweite Verbindungsstelle
über eine Diode DE mit einer Last CA, LA verbunden ist und daß die Last CA, LA
über eine Verbindungsleitung zum Eingang führt, wobei zwischen der ersten Ver
bindungsstelle und der Verbindungsleitung ein Leistungstransistor T und zwischen der
zweiten Verbindungsstelle und der Verbindungsleitung eine zweite, mit der ersten
Drosselspule D1.1 magnetisch gekoppelte Drosselspule D1.2 verschaltet ist und daß
dem Stromregler KI eine einem in der zweiten Drosselspule D1.2 gemessenen Strom IS
proportionale Gleichgröße als Istwert zuführbar und ein Ausgang des Stromreglers KI
oder des Spannungsreglers KU mit einer Steuereinheit verbunden ist, dessen Ausgang
GA mit einem Steuereingang G des Leistungstransistors T verbunden ist.
Das Konzept zeichnet sich dadurch aus, daß im Eingangskreis der Schaltung eine zum
Strom IS proportionale Gleichgröße gemessen werden kann und im Ausgangskreis der
Schaltung ein Spannungsregelkreis liegt, der die Ausgangsspannung regelt und mittels
einer Übertragungsstrecke die verstärkte Fehlerdifferenz auf den Eingangskreis zurück
gemeldet wird. Dadurch wird ermöglicht, daß ein Konzept ohne Potentialtrennung als
Netzregenerator benutzt werden kann. Als weiterer Vorteil ist in diesem Zusammenhang
zu erwähnen, daß die Stromerfassung, Spannungsdifferenz und Stellgröße sowie die
gesamte Elektronik, Steuerung mit Überwachung und Regelkreis, auf gleichem vor
zugsweise Null-Potential liegen.
Als besonderer Vorteil ist hervorzuheben, daß das Schaltnetzteil über einen extrem
weiten Eingangsspannungsbereich (z. B. 4 : 1 bis < 10 : 1, d. h. 6 . . . 24 V bis 0 . . . 158
V) verfügt und die Schwankungen der Versorgungsspannung ausregelt. Durch das erfin
dungsgemäße Schaltnetzteil kann bei jeder beliebigen Eingangsspannung (14,4 V bis
158 V) eine beliebige Ausgangsspannung von < 3 V bis < 60 V ohne Potentialtrennung
eingestellt bzw. geregelt werden.
Durch den zwischen Eingang und Ausgang liegenden Kondensator CS, dessen Kapazi
tätswert umgekehrt proportional der Taktfrequenz ist, kann die vorliegende Schaltung
aufschaltstrombegrenzend gemacht werden, wodurch ein Durchgriff auf den Ausgangs
kondensator nicht stattfindet bzw. kurzschlußstromgeregelt dieser Kondensator CA
aufgeladen wird (CA » CS).
Auch ist bei dieser Schaltungstopologie gewährleistet, daß bei Defekt des Transistors T,
der Diode DE bzw. des Kondensators CS die Eingangsspannung nicht auf den Ausgang
durchgeschaltet wird. Das Schaltnetzteil wird demnach als sicherheitsrelevantes Netzteil
für den Schutz des Ausgangs eingestuft.
Die Messung der den Strom IS in der Drosselwicklung D1.2 äquivalenten Gleichgröße
erfolgt vorteilhaft mittels eines Shunts, der in Reihe mit der Drosselwicklung D1.2 liegt.
Der Strom IS und somit die über dem Shunt zu messende Gleichgröße ist proportional
zu dem Ausgangsstrom IA. Damit steht eine zum Ausgangsstrom IA proportionale
Gleichgröße zur Stromregelung bereit.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß das Schaltnetzteil als Netzregenerator für mit
Schwankungen behaftete AC- und DC-Versorgungsnetze und insbesondere zur Strom-/
Spannungsversorgung für elektrische Verbraucher wie Relais, Schütze, strompropor
tionale Ventile und Lüfter verwendet wird. Durch das Schaltnetzteil werden die zuvor
genannten Nachteile des Standes der Technik behoben. Insbesondere wird bei extrem
schwankenden Eingangsspannungen eine sichere und stabile Ausgangsspannung zur
Verfügung gestellt. Dies gilt insbesondere auch dann, wenn die Eingangsspannung
unterhalb als auch oberhalb der Netznennspannung liegt. Auch ist gewährleistet, daß die
Ausgangsspannung auf den Wert der Netznennspannung eingestellt bzw. geregelt
werden kann.
Als besonderer Vorteil ist zu erwähnen, daß die geregelte Ausgangsspannung UA oder
der Ausgangsstrom IA in Abhängigkeit von dem Verbraucher einstellbar ist, mit UA =
kU × UAN und IA = kI × IAN mit kU, kI < 0 und bis < 1 vorzugsweise kU, kI ≈ 1. Bei
dieser Schaltungsvariante kann der Ausgang des Schaltnetzteils an die jeweilige Bela
stung angepaßt werden. Insbesondere bei der Versorgung von Schützen kann somit bei
angezogenen Schützen in einen "Sparmodus", d. h. reduzierte Ausgangsspannung z. B.
UA = 2/3 UAN, geschaltet werden, um die Leistungsaufnahme der Schütze im angezo
genen Zustand zu verringern. Auch besteht dadurch die Möglichkeit, z. B. bei strom
proportionalen Ventilen deren Eingangsstrom derart einzustellen, daß ein dem Strom
proportionaler Hub gewährleistet ist bzw. bei einem Lüfter die Fördermenge verstellt
wird bzw. geregelt wird.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schaltnetzteils ist vor
gesehen, daß der kU-, kI-Faktor als Sollgröße am Eingang des Regelkreises anliegt und
belastungsabhängig einstellbar ist. Dabei kann der kU-, kI-Faktor programmierbar sein
oder über Schaltkontakte, Widerstandsnetzwerke oder ähnliches einstellbar sein. Sind
z;B. sämtliche Schütze angezogen, so kann diese Information über Schließerkontakte der
Schütze einer Auswertelogik zugeführt werden, wodurch der kU-Faktor z. B. auf einen
Wert kU = 2/3 geschaltet wird, wodurch die Ausgangsspannung UA = kU × UAN = 2/3
× 24 V = 16 V einstellbar ist. Oder der Sollwert wird als analoge Größe 0-10 V bzw.
4-20 mA vorgegeben.
Werden Verbraucher mit einem eigenen Regelkreis eingesetzt, wie dies bei strom
proportionalen Ventilen oder Linearantrieben oder ähnlichen Verbrauchern der Fall sein
kann, so wird der kU, kI-Faktor als fehlerverstärktes Signal aus einem überlagerten
Regelkreis abgebildet. Dieser Betrieb bietet den Vorteil, daß die angeschlossenen
Verbraucher optimal angesteuert bzw. geregelt werden können.
Die Eingangsspannung UE liegt vorzugsweise in einem Bereich von z. B. 4 V UE
158 V und die Ausgangsspannung UA in einem Bereich von z. B. 0 V < UA 110 V
vorzugsweise 12, 24, 48, 60, 110 V. Dadurch wird mit einer einzigen Schaltungskon
figuration ein breites Anforderungsprofil abgedeckt. Vorteilhaft ist die Ausgangsspan
nung UA im Bereich zwischen UA 0 V ∧ UA UEmax ∧ UA UEmin einstellbar.
Auch ist vorgesehen, daß die Ausgangsspannung UA bei IA = konstant sich aus Strom
IA und Lastwiderstand LA ergibt. Durch das Schaltungskonzept wird erreicht, daß der
Ausgangsstrom IA auch bei hohen Widerstandswerten LA z. B. bei dynamischen
Betrachtungen, noch sicher in eine Induktivität getrieben werden kann. Hier wird auch
der Vorteil deutlich, daß außer der konstanten und einstellbaren bzw. regelbaren Aus
gangsgröße kU × UAN bzw. kI × IAN niedrigere und höhere Versorgungsspannungen als
die Ausgangsgröße sicher verarbeitet werden können.
Eine weitere vorteilthafte Konfiguration des erfindungsgemäßen Schaltnetzteils sieht
vor, daß dem Spannungsregler KU ein Rechenglied RG′ zur PFC-Bewertung nach
geschaltet ist, so daß eine Ausgangsgröße D des Rechengliedes RG′ als Stromsollwert
für den nachgeschalteten Stromregler KI zur Verfügung steht. Diese Schaltungsvariante
ist insbesondere für den Einsatz des Schaltnetzteils in Niedervolt-AC-Versorgungsnetzen
konzipiert. Das Rechenglied ist dabei derart ausgebildet, daß dieses einen Eingang für
die eine Sinusform aufweisende Eingangsspannung und einen weiteren Eingang C für
den Spitzenwert der Eingangsspannung als Gleichspannungswert UES aufweist, wobei
an dem Ausgang ein Signal D = A × B : C mit B : C = UE : UES gleichkonstant
ansteht. Damit wird der Regelkreis zu einem Powerfaktor korrigiertem (PFC)-Regel
kreis. Vorteilhaft weist das Schaltnetzteil bei AC-Betrieb einen Formfaktor F von
nahezu F = 1 auf. Damit wird der Stromflußwinkel in einem vorgeschalteten Gleichrich
ter bzw. Transformator ideal verbessert.
Bei konstanter Leistung wird bei sinkender Eingangsspannung UE der Eingangsstrom
IE steigen. Da aber der Strom IS über die Eingangsspannung UE konstant bleibt, darf
sich die Ausgangsgröße D des Rechengliedes als Soll-Wert für den Strom IS, nicht
verändern. Soll die Ausgangsgröße D jedoch konstant sein und die Eingangsgröße A mit
der Eingangsspannung UE multipliziert werden, muß die Eingangsspannung UE durch
den Spitzenwert der Eingangsspannung als Gleichspannungswert UES bzw. K × UES
dividiert werden. Damit wird der Quotient UE/UES konstant. Im Gegensatz zu dem
bekannten Stand der Technik wird bei sinkender Eingangsspannung UE die Amplitude
des Stroms am Eingang steigen und da beim Stand der Technik der Eingangsstrom IE
direkt gemessen wird, muß die Größe D entsprechend steigen. Demnach wird beim
Stand der Technik durch das Quadrat der Spannung UES dividiert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, daß das Steuerglied zumindest
zwei Stromquellen zum Laden und Entlanden eines Kondensator sowie einen Kom
perator aufweist, dessen Eingang mit dem Kondensator zur Messung der Kondensator
spannung verbunden ist und dessen Ausgang einerseits mit dem Leistungstransistor und
andererseits mit Schaltelementen wie Diodentoren verbunden ist, die in Abhängigkeit
von dem Ausgangssignal des Komparators den Lade- bzw. Entladevorgang zur Bestim
mung der Einschalt- bzw. Ausschaltzeiten T-On und T-Off einleiten.
Auch ist vorgesehen, daß eine erste Stromquelle eingangsseitig über einen Widerstand
R1 mit dem Stromregler und ausgangsseitig über ein Schaltelement mit dem Kon
densator C1 verbunden ist und daß eine zweite Stromquelle über einen Widerstand R2
mit der Eingangsspannung UE verbunden und ausgangsseitig über das Schaltelement
S2 zur Aufladung mit dem Kondensator C1 verbunden ist. Dadurch findet eine T-On-
Steuerung und eine T-Off-Regelung statt. Dadurch wird prinzipiell über die Eingangs
spannung verhindert, daß der Zwischenkreis bzw. die Ausgangsspannung dynamische
Schwankungen mit der Eingangsspannung erfährt.
Bei dieser Schaltungskonfiguration wird bei konstanter Last die Ausschaltzeit T-Off
konstant sein. Der Kondensator wird dann immer mit der gleichen Zeit entladen. Die
Einschaltzeit T-On wird sich umgekehrt proportional der Eingangsspannung UE ein
stellen, d. h. je niedriger die Eingangsspannung ist, desto länger wird die Einschaltzeit
T-On sein.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus
den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in
Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines den Zeichnun
gen zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiels.
Es zeigen:
Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines modifizierten Hoch-Tiefsetzstellers mit Potential
trennung,
Fig. 2 das Prinzipschaltbild eines modifizierten Hoch-Tiefsetzstellers ohne Potential
trennung,
Fig. 3 eine Regelkreisanordnung mit Ansteuereinheit für die Schaltungsanordnung
gemäß Fig. 1 und Fig. 2,
Fig. 4 eine Variante eines Rechengliedes für den Regelkreis gemäß Fig. 2,
Fig. 5 der Hoch-Tiefsetzsteller als Netzregenerator im Spannungs-Modus und
Fig. 6 der Hoch-Tiefsetzsteller als Netzregenerator im Strom-Modus.
Fig. 1 zeigt ein Schaltnetzteil (10) mit Eingangskreis (12) und Ausgangskreis (14),
wobei zur Potentialtrennung zwischen Eingangskreis (12) und Ausgangskreis (14) ein
Transformator TR mit einer Primärwicklung T1.1 und einer Sekundärwicklung T1.2
vorgesehen ist. Der Transformator weist das Übersetzungsverhältnis Ü auf.
Eine Eingangsklemme (16) ist über eine Drosselspule D1.1 mit einer ersten Verbin
dungsstelle (18) verbunden, von der aus ein Kondensator CS über eine zweite Ver
bindungsstelle (20) und eine Diode DE mit ihrem Kathodenanschluß (22) mit dem
Eingang der Primärwicklung T1.1 des Transformators TR verbunden ist.
Ein Ausgang (24) der Primärwicklung T1.1 ist über eine Verbindungsleitung (26) mit
einer weiteren Eingangsklemme (28) des Eingangskreises (12) verbunden.
Ausgehend von der Verbindungsstelle (18) ist ein Leistungstransistor T mit der Ver
bindungsleitung (26) an einer Verbindungsstelle (30) verbunden. Ausgehend von der
Verbindungsstelle (20) ist eine zweite Drosselspule D1.2, die mit der ersten Drossel
spule D1.1 magnetisch gekoppelt ist, über ein Widerstandselement wie Shunt SE an
einer Verbindungsstelle (32) mit der Verbindungsleitung (26) verbunden.
Der Ausgangskreis (14) besteht im wesentlichen aus der Sekundärwicklung T1.2 des
Transformators TR, die einerseits über eine Diode DA an einer Verbindungsstelle (34)
mit dem Glättungskondensator CA, in diesem Fall mit dem Plus-Pol eines Kondensators
verbunden ist. Andererseits ist die Sekundärwicklung T1.2 mit dem Minus-Pol der Last
verbunden. Parallel zu dem Glättungskondensator CA kann eine Last LA angeschlossen
und die Ausgangsspannung UA abgegriffen werden.
Der Fig. 2 ist ein Schaltnetzteil (110) ohne Potentialtrennung dargestellt, wobei gleiche
Elemente mit Bezug zu Fig. 1 mit gleichen Bezeichnungen bzw. Bezugsziffern versehen
sind. Bei dem Schaltnetzteil (110) entfällt der Transformator TR, so daß anstelle der
Primärwicklung T1.1 mit ihren Anschlußpunkten (22) und (24) nunmehr der Glättungs
kondensator CA und die parallel dazu geschaltete Last LA mit ihren Verbindungsstellen
(34) und (36) angeschlossen sind.
Fig. 3 zeigt die schematische Darstellung einer Regelkreisanordnung (38) mit einer
nachgeschalteten Steuereinheit (40) wie PWM-Schaltkreis. Der Regelkreis besteht aus
einem Spannungsregler KU, einem nachgeschalteten Rechenglied RG, RG′ sowie einem
dem Rechenglied RG, RG′ nachgeschalteten Stromregler KI. Eingangsseitig weist der
Spannungsregler KU einen Vergleicher (42) auf, der die Differenz zwischen der
Ausgangsspannung UA als Istgröße und einer Sollspannung U-Soll = kU × UAN als
Sollgröße sowie einem über ein Rückkoppelglied (44) rückgekoppeltes Ausgangssignal
bildet. Dieses Differenzsignal wird einem Verstärker (46) zugeführt und verstärkt. Der
Ausgang (48) des Spannungsreglers KU ist mit dem Eingang (50), (50′) des Rechen
gliedes RG, RG′ verbunden. Ein Ausgang (52), (52′) des Rechengliedes RG, RG′ ist
mit einem Vergleicher (54) des Stromregelkreises KI verbunden. Die Ausgangsgröße
des Rechengliedes RG, RG′ dient als Stromsollwert für den folgenden Stromregelkreis
KI. Der Vergleicher (54) vergleicht den Stromsollwert D des Rechengliedes RG, RG′
mit einer an dem Shunt SE gemessenen und dem Ausgangsstrom IA proportionalen
Gleichgröße Is als Stromistwert und eine über ein Rückkoppelglied (56) anliegende
Rückkoppelgröße miteinander. Der Vergleichswert wird einem Verstärker (58) zu
geführt, wodurch ausgangsseitig an einem Ausgang (60) eine fehlerverstärkte Stromdif
ferenz E aus Stromistwert Is (Gleichgröße) und Stromsollwert D zur Verfügung steht.
In der dargestellten Ausführungsform ist die Regelkreisanordnung (38) als Spannungs
regler mit unterlagertem DC-Stromregelkreis KI ausgeführt. Die Sollspannung U-Soll
ist erfindungsgemäß über einen Faktor kU einstellbar, wobei der Faktor kU seinerseits
entweder programmierbar vorgegeben oder lastabhängig über Schaltkontakte oder
Widerstandsnetzwerke oder eine Analoggröße einstellbar ist, oder als verstärkte Fehler
differenz eines überlagerten Regelkreises abgeleitet wird.
Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Regelkreisanordnung (38) als
Stromregler auszubilden, wobei der Stromregler KI als Eingangsregelkreis dem Rechen
glied RG, RG′ vorgeschaltet und der Spannungsregler KU als unterlagerter Regelkreis
dem Rechenglied RG, RG′ nachgeschaltet wird. Auch bei dieser Ausführungsform ist
ein dem Stromregler zuzuführender Stromsollwert I-Soll = kI × IAN über einen Faktor
kI einstellbar.
Der Ausgang (60) des Stromreglers KI ist über einen Widerstand R1 mit einer Strom
quelle IQ1 wie Stromspiegel verbunden, die ausgangsseitig über ein Schaltelement S1
an einem Verbindungspunkt (62) einerseits mit einem Kondensator C1 und andererseits
mit einem Eingang (64) einer Komparatorschaltung (66) verbunden ist. Der Kondensator
C1 ist mit seinem noch freien Anschluß mit Masse (68) verbunden.
Des weiteren ist die Steuereinheit (40) über einen Widerstand R2 mit einer zweiten
Stromquelle IQ2 verbunden, die aus den Stromspiegeln (70), (72) besteht, und ein
Ausgang (74) der Stromquelle IQ2 über ein Schaltelement S2 mit dem Kondensator C1
bzw. dem Eingang (64) der Komparatorschaltung (66) verbunden ist. Ein Ausgang (76)
des Komparators (66) ist einerseits mit einem Steuereingang G des Leistungstransistors
T und andererseits mit den Steuereingängen der Schaltelemente S1, S2 verbunden.
Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform des Rechenglieds RG ist für eine DC-
Version des Netzteils bestimmt, d. h., daß die Eingangsspannung UE als Gleichspannung
zur Verfügung steht (z. B. Batterie-Netz). Liegt die Eingangsspannung UE jedoch in
Sinus-Halbwellenform vor, so wird das Rechenglied RG durch eine weitere Version des
Rechenglieds RG′ ersetzt.
Fig. 4 zeigt das Rechenglied RG′, das einerseits mit einem Eingang (78) über einen
Widerstand R4 mit der Eingangsspannung UE verbunden ist und andererseits mit einem
Eingang (80) über einen Widerstand R5 mit dem Spitzenwert der Eingangsspannung als
Gleichspannungswert UES verbunden ist. Die Ausgangsgröße D wird dabei wie folgt
bestimmt:
D = A × B/C = A × UE/UES
mit A = Fehlerverstärkte Spannungsdifferenz aus Istwert und Soll
wert
B = UE = Doppelweggleichgerichtete Eingangsspannung
C = UES = Spitzenwert der Eingangsspannung als Gleichspannungs wert bzw. k × UES
D = A × B/C = Stromsollwert.
B = UE = Doppelweggleichgerichtete Eingangsspannung
C = UES = Spitzenwert der Eingangsspannung als Gleichspannungs wert bzw. k × UES
D = A × B/C = Stromsollwert.
Im folgenden soll die Funktion des Schaltnetzteils (10) beispielhaft für gleichgerichtete
Eingangsspannungen UE mit Sinushalbwellenform in eingeschwungenem Zustand näher
erläutert werden. Bei geschlossenem Transistor T wird durch die Eingangsspannung UE
ein Strom IE durch die Drosselspule D1.1 und den Transistor T getrieben. Durch die
Drosselspule D1.2 wird der Strom IS entsprechend IA über CS ebenfalls für die Zeit ton
durch den Transistor getrieben. Entsprechend des Übersetzungsverhältnisses des Trans
formators TR wird der Primärstrom ITE = IE + IS auf den Ausgangsstrom IDA = IA
während der Zeit toff transformiert.
Im eingeschwungenen Zustand wird der Strom IS durch die Drosselspule D1.2 dem
Ausgangsstrom IA gleich sein bzw. proportional sein. Bei Öffnen des Transistors
werden die Ströme IE und IS durch die Diode DE und die Primärwicklung T1.1 des
Transformators TR geleitet. Der Transformator TR wirkt als Stromtrafo und mit dem
Übersetzungsverhältnis ü wird in der Sekundärwicklung T1.1 ein um 180° phasenver
schobener Strom IDA = IA induziert, der über die Diode DA in die Last bzw. den
Kondensator CA fließen kann.
Nunmehr besteht die Möglichkeit, im Eingangskreis der Schaltung über den in Reihe
mit der Drosselspule D1.2 angeordneten Shunt SE eine dem Strom IS entsprechende
DC-Größe zu ermitteln, der als Istgröße für den Stromregler KI der Regelkreisanord
nung (38) zur Verfügung steht. Entscheidend ist, daß die DC-Größe dem Ausgangs
strom IA entspricht bzw. proportional ist.
Die Ausgangsspannung UA wird dem Spannungsregler KU als Istgröße zugeführt. Im
Ausgang des Spannungsreglers KU liegt eine fehlerverstärkte Spannungsdifferenz A aus
Istwert UA und Sollwert UA-Soll an. Bei der beschriebenen Schaltungskonfiguration,
also mit Potentialtrennung, sollte die Ausgangsgröße des Spannungsreglers KU über
eine potentialtrennende Übertragungsstrecke (nicht dargestellt) wie OPTO-Koppler auf
den Eingangskreis, d. h. den Eingang (50) bzw. (50′) des Rechenglieds RG′ zurückge
meldet werden.
Bei konstanter Leistung wird bei sinkender Eingangsspannung UE der Eingangsstrom
IE steigen. Da aber der Strom IS über UE konstant bleibt, darf sich die Größe D, als
Sollgröße des nachgeschalteten Stromreglers KI, nicht verändern. Soll die Ausgangs
größe D des Rechenglieds RG′ jedoch konstant sein, muß, da die Eingangsgröße A mit
der Wechselgröße UE multipliziert wird, UE durch UES (Spitzenwerte der Eingangs
spannung als Gleichspannungswert bzw. K × UES) dividiert werden. Dieser Quotient ist
konstant. Somit wird durch Nachschaltung eines einfachen Rechengliedes in den
Ausgang des Spannungsreglers KU dieser Kreis zu einem Power-Faktor-korrigierten
(PFC) Regelkreis.
Das heißt mit anderen Worten: Erfassung der Spannung UA im Ausgangskreis (14),
Vergleich mit einer Sollspannung U-Soll, Verstärkung dieser Regeldifferenz, Über
tragung mittels Übertragungsstrecke wie OPTO-Koppler auf den Eingang (50′) des
Rechenglieds RG′, Multiplikation dieses Wertes mit der Kurvenform der Eingangs
spannung UE, die bei Doppelweggleichrichtung als Sinushalbwelle ansteht und Division
durch UES. Die Ausgangsgröße D ist wiederum sinusförmig und dient als Sollwert für
den Stromregler KI und wird in den Vergleicher (54) mit der zum Strom IS proportio
nalen DC-Größe als Istwert verglichen. Am Ausgang (60) liegt die fehlerverstärkte
Stromdifferenz E aus Istwert und Sollwert an, die nun wiederum zur Regelung der
Ausschaltzeit T-Off des Leistungstransistors T dient.
Am Ausgang (76) der Steuereinheit (40) liegt ein Steuersignal GA an, durch das der
Transistor T gesteuert wird. Gleichzeitig werden mit diesem Steuersignal die Schalt
elemente S1, S2, die als Diodentore ausgebildet sein können, gesteuert. Ist das Steuersi
gnal GA "high", so wird ein Strom I2′ umgekehrt proportional der Eingangsspannung
UE einen Kondensator aufladen. Ist das Steuersignal GA "low", wird der Schalter S1
geschlossen sowie der Schalter S2 geöffnet, wodurch gesteuert durch das Signal E
(fehlerverstärkte Stromdifferenz aus Istwert und Sollwert) der Kondensator C1 über den
Strom I1′ geregelt entladen wird.
Bei konstanter Last wird somit die Ausschaltzeit T-Off konstant sein. Der Kondensator
C1 wird immer mit der gleichen Zeit, d. h. in der Zeit T-Off, entladen. Die Einschaltzeit
T-On wird sich umgekehrt proportional der Eingangsspannung UE einstellen, d. h. je
niedriger die Eingangsspannung UE ist, desto länger wird die Einschaltzeit T-On sein.
Die Steuerung der Einschaltzeit T-On wird mittels der Stromquelle IQ2 realisiert, wobei
der Eingangsstrom I2 dieser Stromquelle proportional der Eingangsspannung UE ist. Da
der Aufladestrom I2′ = I2 ist und damit proportional zur Eingangsspannung UE ist, ist
die Einschaltzeit T-On umgekehrt proportional zur Eingangsspannung UE. Der Auflade
vorgang ereignet sich, während am Ausgang (76) des Komparators das Steuersignal GA
auf "high" liegt. Liegt das Steuersignal GA auf dem Wert "low", wird der Aufladestrom
I2′ abgeschaltet und der Kondensator C1 gesteuert über das Ausgangssignal E des
Stromreglers über den Strom I1′ entladen.
Erfindungsgemäß sollen die beschriebenen Schaltnetzteile (10), (110) als Netzregenera
tor REG für mit Schwankungen behaftete AC- und DC-Versorgungsnetze und ins
besondere zur Strom- und Spannungsversorgung für elektrische Verbraucher wie Relais,
Ventilatoren, Schütze (100) und stromproportionale Ventile (102) eingesetzt werden.
Dabei lassen sich prinzipiell zwei Betriebsweisen unterscheiden.
In Fig. 5 wird der Regenerator REG im Spannungs-Modus betrieben, d. h. die Ausgangs
spannung UA soll auf einem konstanten Wert UA = kU × UAN eingestellt werden.
Diese Schaltungsvariante ist insbesondere zur Spannungsversorgung von elektrischen
Verbrauchern wie Schützen (100) vorgesehen. Die Ausgangsspannung UA kann dabei
über den Faktor kU beliebig eingestellt werden. Erfindungsgemäß ist der Faktor kU
verbraucherabhängig einstellbar. Sind z. B. sämtliche Schütze, die in Parallelschaltungen
an dem Ausgang des Regenerators REG angeschlossen sein können, angezogen, so kann
die Ausgangsspannung UA über den kU-Faktor von z. B. 24 V auf 16 V reduziert
werden. In diesem "Sparmodus" wird die Leistungsaufnahme der Schütze verringert.
Soll in diesem Zustand ein weiteres Schütz eingeschaltet werden, so wird wiederum
über den kU-Faktor die Spannung UA auf die Verbrauchernennspannung eingestellt, so
daß das zusätzliche Schütz sicher anziehen kann. Anschließend wird wieder in den
Sparmodus zurückgeschaltet.
Fig. 6 zeigt den Regenerator REG im Strom-Modus, wobei der Ausgangsstrom IA = kI
× IAN über die kI-Faktor in weiten Bereichen einstellbar ist. Diese Schaltungsvariante
wird insbesondere zur Ansteuerung von stromproportionalen Ventilen (102) verwendet.
Hierbei besteht die Möglichkeit, den Ausgangsstrom IA über den kI-Faktor derart vor
zugeben, daß ein Hub der stromproportionalen Ventile (102) proportional dem Strom
gewährleistet ist. Der kI-Faktor kann programmierbar eingestellt werden, so daß beliebi
ge Stromkurven einstellbar sind.
Der Regenerator REG, der das Schaltnetzteil (10) bzw. (110) aufweist, kann zur
Regeneration eines AC- oder DC-Versorgungsnetzes mit extrem schwankender Ein
gangsspannung UE eingesetzt werden. Als besonderer Vorteil ist der extrem weite
Eingangsspannungsbereich am AC- und DC-Netz zu erwähnen, beispielsweise 18
VDC/30 VAC bis einschließlich 264 VAC/360 VDC ohne Umschaltung und theoretisch
bei idealen Schaltelementen T und DE/DA in Fig. 1 und 2 bis 0 V Eingangsspannung.
Der Regenerator verfügt im DC-Betrieb über einen weiten Eingangs-Spannungsbereich
(4 : 1 bis 10 : 1, d. h. 4-38 V, 14,4-158 V). In der DC-Version kann der Regenerator
REG bei jeder beliebigen Eingangsspannung UE vorzugsweise im Bereich von 6,5 V
UE 158 V eine beliebige Ausgangsspannung UA im Bereich zwischen 0 V UA
110 V (ohne oder mit Potentialtrennung) eingestellt werden.
Aufgrund der genannten Eigenschaften wird ein sehr zuverlässiges und sicheres Schalt
netzteil zur Verfügung gestellt. Insbesondere ergeben sich dadurch Anwendungsgebiete
in Bordnetzen für Bahnen und Flugzeuge sowie in Versorgungsnetzen für sicherheits
relevante Verbraucher im Kraftwerksbereich insbesondere bei Kernkraftwerken.
Die zuvor wiedergegebene Beschreibung der Schaltungen und der Regelkreise sind rein
beispielhaft, ohne daß hierdurch eine Einschränkung der erfindungsgemäßen Lehre
erfolgt. Vielmehr erstreckt sich diese auch auf Varianten und Ausgestaltungen, in denen
die Erfindung realisierbar ist. Auch ist das den Erläuterungen zugrundeliegende Regel
verfahren Gegenstand der Erfindung.
Claims (23)
1. Schaltnetzteil (10), insbesondere Netzregenerator, zur Regeneration einer an
einem Eingangskreis (12) anliegenden mit Schwankungen behafteten Eingangs
spannung UE eines AC- oder DC-Versorgungsnetzes in eine an einem mit einer
Last CA, LA belasteten Ausgangskreis (14) anliegende einstellbare konstante
Ausgangsspannung UA oder einen einstellbaren konstanten Ausgangsstrom IA,
mit einem aus Spannungsregler KU und Stromregler KI bestehenden Regelkreis,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Eingangskreis (12) eine erste Drosselspule D1.1 aufweist, die über eine
erste Verbindungsstelle (18) in Serie mit einem Kondensator CS verbunden ist,
der über eine zweite Verbindungsstelle (20) über eine Diode DE mit einer Last
CA, LA verbunden ist und daß die Last CA, LA über eine Verbindungsleitung
(26) zum Eingang führt, wobei zwischen der ersten Verbindungsstelle (18) und
der Verbindungsleitung (26) ein Leistungstransistor T und zwischen der zweiten
Verbindungsstelle (20) und der Verbindungsleitung (26) eine zweite, mit der
ersten Drosselspule D1.1 magnetisch gekoppelte Drosselspule D1.2 verschaltet
ist und daß dem Stromregler KI eine einem in der zweiten Drosselspule D1.2
gemessenen Strom IS proportionale Gleichgröße als Istwert zuführbar und ein
Ausgang (60) des Stromreglers KI oder des Spannungsreglers KU mit einer
Steuereinheit (40) verbunden ist, dessen Ausgang GA mit einem Steuereingang
G des Leistungstransistors T verbunden ist.
2. Schaltnetzteil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die dem Strom IS proportionale DC-Größe bzw. Gleichgröße an einem in
Reihe mit der Drosselspule D1.2 liegenden Meßumformer SE wie Shunt meßbar
ist und proportional zu dem Ausgangsstrom IA ist.
3. Schaltnetzteil nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Schaltnetzteil als Netzregenerator für mit Schwankungen behaftete AC-
und DC-Versorgungsnetze und insbesondere zur Strom- und Spannungsver
sorgung für elektrische Verbraucher wie Relais, Schütze, stromproportionale
Ventile und Lüfter verwendet wird.
4. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die geregelte Ausgangsspannung UA oder der geregelte Ausgangsstrom IA
in Abhängigkeit von dem Verbraucher einstellbar ist, mit UA = kU × UAN und
IA = kI × IAN mit kU, kI < 0 bis 1 vorzugsweise kU, kI ≈ 1.
5. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der kU, kI-Faktor als Sollgröße am Eingang des Regelkreises (38) anliegt
und belastungsabhängig einstellbar ist.
6. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der kU, kI-Faktor programmierbar oder über Schaltkontakte, Widerstands
netzwerke oder ähnliches einstellbar ist.
7. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der kU, kI-Faktor als fehlerverstärktes Signal aus einem überlagerten Regel
kreis abgebildet ist.
8. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Eingangsspannung UE im Bereich von z. B. 4 V UE 158 V und die
Ausgangsspannung UA im Bereich von z. B. 0 V UA 110 V vorzugsweise
12, 24, 48, 60, 110 V liegt.
9. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausgangsspannung UA im Bereich zwischen UA 0 V ∧ UA UEmin
∧ UA UAmax einstellbar ist.
10. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausgangsspannung UA bei IA = konstant sich aus Strom IA und Lastwi
derstand LA ergibt.
11. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem Spannungsregler KU ein Rechenglied RG′ zur PFC-Bewertung nachge
schaltet ist, so daß eine Ausgangsgröße D des Rechengliedes RG als Stromsoll
wert I für den nachgeschalteten Stromregler KI zur Verfügung steht.
12. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Rechenglied RG′ einen Eingang B für die eine Sinusform aufweisende
Eingangsspannung UE und einen weiteren Eingang C für den Spitzenwert der
Eingangsspannung als Gleichspannungswert UES aufweist, wobei an dem
Ausgang (52) ein Signal
D=A × B/CmitB/C = UE/UES = konstantansteht.
13. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Schaltnetzteil (10), (110) bei AC-Betrieb einen Formfaktor F von
annähernd F = 1 aufweist.
14. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Schaltnetzteil (10), (110) ein Niedervolt-AC-Versorgungsnetz mit
Eingangsspannungen UE im Bereich von z. B. 0 V UE 24 V eingesetzt wird.
15. Schaltnetzeil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Last CA, LA über einen Transformator T, mit Primärwicklung T1.1 und
Sekundärwicklung T1.2, mit dem Eingangskreis (12) verbunden ist, wobei die
Last CA, LA über eine Diode DA mit der Sekundärwicklung T1.2 des Trans
formators verbunden ist und die Primärwicklung T1.1 zwischen der Diode DE
und der Verbindungsleitung (26) liegt.
16. Schaltnetzeil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Spannungsregler KU über ein potentialtrennendes Übertragungsele
ment wie OPTO-Koppler mit dem Rechenglied RG, RG′ verbunden ist.
17. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Schaltnetzteil (10), (110) und die Regelkreisanordnung (38) ein gemein
sames Potential vorzugsweise Null-Potential aufweisen.
18. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Steuerglied (40) zumindest zwei Stromquellen IQ1, IQ2, wie Strom
spiegel zum Laden und Entladen eines Kondensators C1 sowie einen Komparator
(66) aufweist, dessen Eingang (64) mit dem Kondensator C1 zur Messung der
Kondensatorspannung verbunden ist, wobei dessen Ausgang (76) einerseits mit
dem Leistungstransistor T und andererseits mit Schaltelementen S1, S2 wie
Diodentoren verbunden ist, die in Abhängigkeit eines Ausgangssignals GA des
Komparators (66) den Lade- bzw. Entladevorgang zur Bestimmung der Ein-
bzw. Ausschaltzeiten T-On- bzw. T-Off einleiten.
19. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausschaltzeit T-Off durch die Ausgangsgröße E = I1 des Stromreglers
KI regelbar ist.
20. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Stromquelle IQ1 eingangsseitig über einen Widerstand R₁ mit dem
Stromregler KI und ausgangsseitig über das Schaltelement S1 mit dem Kon
densator C1 verbunden ist.
21. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Stromquelle IQ2 über einen Widerstand R₂ mit der Eingangsspannung
UE verbunden ist und ausgangsseitig über das Schaltelement S2 zum Aufladen
des Kondensators mit diesem verbunden ist.
22. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einschaltzeit T-On umgekehrt proportional der Eingangsspannung UE
ist.
23. Schaltnetzteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schaltung ab einer minimalen Eingangsspannung UE = 0 V regeneriert.
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DE1995115210 DE19515210C2 (de) | 1995-04-28 | 1995-04-28 | Schaltnetzteil, insbesondere Netzregenerator |
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ID=7760333
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DE1995115210 Expired - Lifetime DE19515210C2 (de) | 1995-04-28 | 1995-04-28 | Schaltnetzteil, insbesondere Netzregenerator |
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