DE2246258C3 - Schaltungsanordnung zur Gleichstromspeisung eines mit einer Freilaufdiode beschalteten Verbrauchers - Google Patents

Description

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs beschriebene Schaltungsanordnung dahingehend zu verbessern, daß die Spannung am Kommutierungskondensator auf einem möglichst konstanten Wert gehalten wird, wodurch ein uuterbrechungsfreier Betrieb einer Gleichstromstellei schaltung auch bei stark schwankender Versorgungsspannung möglich ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1.

Die Spannung des Kommutierungskondensators wird über die Höhe des Magnetisierungsstromes in der Hilfsdrossel oder im Transformator auf eine konstante Höhe geregelt, indem Impulsdauer und Impulspausen des Stellers vsrändert werden. Die Magnetisierungsenergie wird also im Gegensatz zur aus der obenge- nannten DE-Zeitschrift »Elektronik« bekannten Schaltungsanordnung nicht in Verluste umgesetzt, sondern zur Aufladung des Kommutierungskondensators genutzt Gleiches gilt im Vergleich mit deui aus der DD-PS 68 553 bekannten Freilaufkreis. Gleichzeitig wird aber eine unerwünschte schrittweise Aufmagnetisierung der Hilfsdrossel bzw. des Transformators bis zur Sättigung vermieden, was bei der Schaltung gemäß der GB-PS 9 91 701 nicht auszuschließen ist.

Da für diese Regelung der Kondensatorspannung die Größe der Einschaltdauer des Stellers benutzt wird, muß für die Regelung der Ausgangsspannung die Taktfrequenz verändert werden. Im Gegensatz dazu wird bei der Schaltungsanordnung (»Elektronik« s. o.) die Taktfrequenz konstant gehalten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von scbematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung mit paralleler Hilfsdrossel,

F i g. 2 Strom- und Spannungsverläufe für das Ausführungsbeispiel nach Fi g. 1 und

F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel, bei dem anstelle der Hilfsdrossel ein ausgangsseitig des Gleichstromstellers parallel angeschlossener Transformators vorgesehen ist.

In F i g. 1 liegt an Klemmen 1 und 2 die Versorgungsgleichspannung U_c an, die stark schwankende Werte aufweisen kann. Zwischen den Klemmen 1 und 2 ist ein Widerstand R angeordnet, der den G'eichspannungswert in ein Steuergerät 3 leitet, dessen erster Ausgang 3a mit der Zündelektrode eines Laststromventils STund dessen zweiter Ausgang 3£> mit der Zündelektrode 3b eines Kommutierungsventils 4 verbunden ist. Die Klemme 1 ist ferner mit dem Laststromventil ST und über einen Kommutierungskondensator Ck mit einer Reihenschaltung aus einer Umschwingungsdrossel L und einer Diode D, die dem steuerbaren Kommutierungsventil 4 antiparallel geschaltet ist, verbunden. Zwischen Ausgängen 5 und 6 des Gleichstromstellers ist eine Hilfsdrossel L 1 angeordnet, der ein Verbraucher L 2, beispielsweise die Feldspule oder Ankerspule, eines Elektromotors, über eine Diode D1 parallelgeschaltet ist, wobei zum Verbraucher L 2 eine Freilaufdiode D 2 parallelgeschaket ist.

Zwischen Ausgang ue» Gleichstromstellers und Eingang der Hilfsdrossel L1 ist eine Diode 8 geschaltet. Wie aus der Zeitschrift »Brown Boveri Mitteilungen« 1970, S. 252 bis 279, insbesondere Bild 5 auf S. 256 in Verbindung mit dem Text auf S. 258, rechte Spalte, Z. 22 bis 27 bekannt ist, riegelt diese Diode die in Form der Versorgungsspannung U_c an den Klemmen 1 und 2 anliegende Gegenspannung ab und verhindert, daß die im Kommutierungskondensator Ck gespeicherte Ladung über den Umladekreis L, D abfließt

Nachfolgend wird die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung beschrieben:

Das Steuergerät 3 beeinflußt das Laststrom ventil ST und das Kommutierungsventil 4 so, daß die während der Einschaltdauer des Laststromventils ST in der Hilfsdrossel L1 gespeicherte Energie ausreicht, den Kommutierungskondensator Ck nach Zünden des Kommutierungsventils 4 auf seine Nennspannung aufzuladen. Damit diese Energieübertragung erfdgen kann, darf der Hilfsdrossel L1 keine Freilaufdiode parallelgeschaltet sein.

Die Vorgänge Energiespeicherung und Energieübergabe werden anhand der Fig.2a und 2b näher beschrieben. Fig.2a zeigt die Verhältnisse bei niedriger, F i g. 2b bei hoher Versorgungsspannung Ue- Zum Zeitpunkt ri wird das Laststromventil ST gezündet Damit liegt an der Hilfsdrossel L1 die Versorgungsgleichspannung U_s an. Der durch die Hilfsdrossel L1 fließende Strom iL t hat die Steigung diL i/dt = Ue/ L1. Zum gleichen Zeitpunkt beginnt auch die Umschwingung des Kommutierungskondensators Ck über das Laststromventil ST, die Umschwingdiode D und die Umschwtngdrossel L Zum Zeitpunkt ft hat das Steuergerät 3 erfaßt, daß die in der Hilfsdrossel L 1 gespeicherte Energie ausreicht, um den Kommutierungskondensator Ck auf seine Nennspannung aufzuladen und zündet das Kommutierungsventil 4. Das Laststromventil STsperrt, und der Kommutierungskondensator Cfc wird vom Laststrom und dem Strom der Hilfsdrossel L 1 umgeladen, bis er zum Zeitpunkt t 3 in umgekehrter Polarität auf den Wert der Eingangsspannung Ue aufgeladen ist. Zu diesem Zeitpunkt r 3 ist die Ausgingsspannung Ua zu Null geworden, der Laststrom wird durch Leitendwerden der Diode D 2 und Sperren der Diode D1 vom Steller entkoppelt. Der in der Hilfsdrossel L 1 eingeprägte Strom iL 1 lädt nun den Kondensator Ck weiter um, bis seine Spannung Uck zum Zeitpunkt t4 den vom Steuergerät 3 vorausberechneten Ausgangszustand von 11 wieder erreicht hat. Der Strom iL 1 ist dabei von seinem Maximalwert auf Null abgeklungen. Das Kommutierungsventil 4 sperrt wieder. Obige Vorgänge wiederholen sich ab dem Zeitpunkt t\.

Bei hoher Versorgungsspannung Ue (F i g. 2b) ist der Anteil der Kondensatorspannung Uck, der von der riüfsdrossel Li aufgeprägt werden muß, geringer. Entsprechend muß auch die Einschaltdauer (t2 — ti) des Laststromventils ST verkürzt werden.

Anstelle der Hilfsdrossel L1 kann zwischen den Ausgangsklemmen 5 und 6 ein Transformator Tv vorgesehen sein, der über eine Diode D 3 und eine Glättungsdrossel L 3 einen Verbraucher, in diesem Falle eine Batterie B, speist (Fig. 3). Die Hauptinduktivität des Transformators Tv übernimmt dann die Rolle der Induktivität der Hilfsdrossel Li gemäß Fig. 1. Der Glättungsdrossel L 3 und der Batterie B ist eine Freilaufdiode D 4 parallel geschaltet.

Zwischen den Ausgangsklemmen 5 und 6 des Gleichstromstellers kann noch eine Regelvorrichtung vorgesehen werden, die die mittlere Verbrauchergleichspannung Uam auf einen vorgebbaren Wert einregelt, indem sie die Zeitdauer zwischen zwei Zündungen des Laststromventils ST und damit die Pulsfrequenz des Stellers variiert.

Der mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erzielte Vorteil besteht im wesentlichen darin, daß

die Spannung am Kommutierungskondensator Ck und damit der Kommutierungsstrom für das Laststromventil ST bei unterschiedlichen Werten der Vorsorgungsgleichspannung Ue am Eingang des Gleichstromstellers immer auf den für die Löschung des Laststromventils ST gewünschten Wert eingestellt werden kann. Bei kleiner Versorgungsgleichspannung Ue wird die Spannungszeitfläche der Hilfsdrossel L1 bzw. des Transformators Tv vergrößert, um den Kommutierungskondensator Ck über den bei bekannten Stellern üblichen Wert der Versorgungsspannung Ue hinaus aufladen zu können. Bei großer Versorgungsspannung Ue wird diese Spannungszeitfläche verkleinert. Aus den Fig.2a und 2b ist dementsprechend zu entnehmen, daß die Einschaltdauer stärker als umgekehrt proportional zur Höhe der Versorgungsgleichspannung Ue verändert wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Schaltungsanordnung zur Gleichstromspeisung eines mit einer Freilaufdiode beschalteten Verbrauchers, mit einem Gleichstromsteller, der ein steuerbares Laststromventil enthält, welchem die Reihenschaltung eines Kommutierungskondensators und eines steuerbaren Kommutierungsventils parallel geschaltet ist, wobei zu letzterem eine Reihenschaltung aus einer Umschwingdrossel und einer Umschwingdiode antiparallel liegt, und mit einer ausgangsseitig des Gleichstromstellers liegenden, in Richtung des Laststromes gepolten Diode sowie mit daran parallel angeschlossener Hilfsdrossel oder mit einem ausgangsseitig des Gleichstromstellers parallel angeschlossenen Transformator, wobei die Parallelschaltung aus dem Verbraucher und der Freilaufdiode über eine weitere Diode an den Ausgang des Gleichstromstellers bzw. an die Sekundärwicklung des Transformators angeschlossen ist, und die Hilfsdrossel bzw. die Primärwicklung des Transformators (Tr) den einzigen Querzweig zwischen dem Gleichstromsteller und dem vorgenannten Verbraucherkreis bilden und mit einer Steuereinrichtung für den Gleichstromsteller, die durch Steuern des Abstandes zwischen den Zündzeitpunkten des Laststromventils in Abhängigkeit von einem Regelsignal die Verbraucherspannung auf einen gewünschten Wert einstellt und die außerdem von der Versorgungsspannung des Gleichstromstellers beeinflußt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (3) derart ausgebildet ist, daß das Kommutierungsventil in Abhängigkeit von der Höhe der Versorgungsspannung (Ue) des Gleichstromstellers jeweils zu einem Zeitpunkt gezündet wird, in dem der Magnetisierungsstrom der Hilfsdrossel (Ll)bzw. der Primärwicklung des Transformators (Tv) so groß ist, daß anschließend der Kommutierungskondensator (Ck) vom Entmagnetisierungsstrom jeweils auf eine gewünschte, unabhängig von Änderungen der Versorgungsspannung (Ue) konstante Spannung aufgeladen wird.

   Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschriebenen Gattung.

   Eine solche aus der GB-PS 9 91701 bekannte Schaltungsanordnung umfaßt wie die erstgenannte einen Transformator zwischen dem Ausgang des Gleichstromstellers und dem Verbraucherkreis. Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung wird die Verbraucherspannung gemessen und auch bei wechselnder Eingangsspannung auf einen konstanten Wert geregelt. Zu diesem Zweck wird der Hauptthyristor für eine konstante Zeitspanne ein- und für eine variable Zeitspanne ausgeschaltet. Bei der bekannten Schaltungsanordnung ist ferner eine Einrichtung vorgesehen, die die Versorgungsspannung überwacht. Sobald die Versorgungsspannung den eingestellten Toleranzbereich über- oder unterschreitet, werden die Zündimpulse für die Thyristoren gesperrt. Ein tatsächlicher Betrieb erfolgt auch hier also nur bei einer genügend hohen Versorgungsspannung.

   Bei der bekannten Schaltungsanordnung entmagnetisiert sich der Transformator über den Kommutierungskondensator. Weiterhin handelt es sich bei dem bekannten Gleichstromsteller um eine sperrspannungs-Ireie Schaltung, bei der zur Strombegrenzung zwingend eine Drossel in Serie zum Löschkondensator liegen muß, wodurch eine nachteilige, laststromabhängige Überladung des Kommutierungskondensator herbeigeführt wird. Eine Regelung der Spannung des Kommutierungskondensators auf einen von der Versorgungsspannung unabhängigen Wert erfolgt nicht

   Bei einer weiteren bekannten Schaltungsanordnung speist der Gleichstromsteller den mit der Freilaufdiode beschalteten Verbraucher über einen Transformator (DE-Zeitschrift »Elektronik« 1970, H. 3, S. 102/103). Da die Auslegung des Kommjtierungskondensators von der Höhe der Versorgungsspannung abhängt, ergeben sich, zunächst für Kommutierungsschaltungen allgemein betrachtet, Schwierigkeiten, wenn die Versorgungsgleichspannung am Eingang des Gleichstromstellers keinen konstanten Wert, sondern zeitweilig auch einen höheren oder tieferen W°rt als die Normalspannung aufweist, für welche der Kommutierungskondensator ausgelegt ist. Falls die Spannung am Kommutierungskondensator sehr hoch ist. werden das zu löschende steuerbare Laststromventil und das Kommutierungsventil durch den hohen Losch- und Umladestrom thermisch beansprucht; ferner müssen alle Bauelemente für die höchste vorkommende Spannung ausgelegt sein. Bei niedriger Spannung am Kommutierungskondensator besteht die Gefahr, daß der Löschstrom zu gering ausfällt und das Las'stromventil nicht gelöscht wird. — Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung ist für letzteren Fall eine Überwachung der Versorgungsspannung derar« vorgesehen, daß Zündimpulse für das Laststromventil nur freigegeben werden, wenn durch eine genügend hohe Versorgungsspannung auch eine für das Löschen des maximal möglichen Lastrtromes ausreichende Spannung am Kommutierungskondensalor zur Verfügung steht, ansonsten sperrt die Überwachung die Impulse für das Laststrom ventil und führt den Regler für die Verbraucherspannung nach Null zurück. Ein tatsächlicher Betrieb erfolgt nur bei einer genügend hohen Versorgungsspannung. — Im Normalbetrieb wird der Kommutierungskondensator während der Strompausen des Laststromventils auf diese Versorgungsspannung aufgeladen, mit dem Nachteil, daß mit schwankender Versorgungsspannung auch die Kondensatorspannung mitschwankt. In diesen Strompausen erfolgt auch eine Rückmagnetisierung des Transformators über eine parallel zu seiner Primärwicklung vorgesehene Reihenschaltung aus einer Diode und der Parallelschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators. Die Magnetisierungsenergie wird in dieser Beschallung in Verluste umgesetzt.

   Bei einer weiterhin bekannten Schaltungsanordnung tritt der erstgenannte Nachteil nicht auf; vielmehr wird der Kommutierungskondensator auf eine gewünschte, unabhängig von Änderungen der Versorgungsspannung konstante Spannung aufgeladen, indem ein steuerbares Freilaufventil in einem Querzweig zwischen dem Gleichstromsteller und dem Verbraucher vorgesehen ist, das durchschaltet, sobald die Kondensatorspannung die Versorgungsspannung überschreitet (DD-PS 68 553).

   Zur Konstanthaltung der Kondensatorspannung sind neben dem zusätzlichen steuerbaren Freilaufventil seine Beschallung und Zündelektronik notwendig.