DE3044359C2 - Stromversorgungsanordnung - Google Patents

Description

dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (8) das Schaltelement (Ti) im Bereich des Maximalwertes des Stromes der Wechselspannungsquelfe (I) ausschaltet

2. Stromv<irsorgungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung (8) einen Spannungsgenerator mit einer Frequenz enthält, die höher ist, als die der Wechselspannungsquelle (1), gekennzeichnet

— durch einen Komparator (15), der eine dem von einer Wechselstromerfassangsschaltung (Rs, 9) erfaßten Strom proportionale Wechselstromerfassungsspannung (V/s) mit einer eingestellten, den Mittelwert des Laststroms entsprechenden Spannung (Ausgangsspannung des Rechenverstärkers i4) vergleicht, und

— durch eine logische Schaltung (18), dessen Eingänge an den Acsgang des Generators (12) bzw. an den Ausgang des K- mparators (15) und dessen Ausgang an die Steuerelektrode des Schaltelements (T\) angeschlossen ist.

Die Erfindung bezieht sich auf die Stromversorgungsanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs i beschriebenen, aus den DE-OSn 24 61440 oder 26 23 200 bekannten Art.

Bei herkömmlichen Stromversorgungsanordnungen, bei denen eine Wechselspannung in eine Gleichspannung umgeformt und einer Last zugeführt wird, fließt von der Wechselspannungsquelle ein impulsförmiger Eingangsstrom in eine einen Kondensator aufweisende Glättungsschallung. Hierbei erreicht der Leistungsfaktor der Stromversorgungsanordnung nur geringe Werte. Entsprechend hoch ist der Effektivwert des Eingangsstromes.

Aus der JP-OS 17 931/78 ist bereits eine Stromversorgungsanordnung bekannt, bei der Verbesserung des Leistungsfaktors zwischen die Wechselspannungsquelle und die Gleichrichterbrücke eine Drosselspule geschaltet ist. Parallel zum Eingang der Gleichrichterbrücke ist eine Schallanordnung geschaltet, die nur dann arbeitet, wenn der Gleichrichterbrücke kein Eingangsstrom zugeführt wird. Hierdurch wird intermittierend in der Drosselspule Energie gespeichert. Die in der Drosselspule gespeicherte Energie wird über die Gleichrichtcrbrücke an den Kondensator der Glättungsschaltung abgegeben, so daß der Eingangsstrom intermittierend zugeführt wird. Hierdurch läßt sich die Verzerrung des Stromvcrlaufcs gegenüber dem .Spannungsverlauf vermindern und entsprechend der Leistungsfaktor der Stromversorgungsanordnung verbessern.

Die zur Leistungsfaktorverbesserung dienende, parallel an die Eingangsklemmen der Gleichrichterbrücke angeschlossene Schaltanordnung weist als Schaltelement einen Transistor auf, durch der die Gleichrichterbrücke intermittierend kurzgeschlossen wird. Wird der Strom jedoch in der gleichen Richtung zum Transistor der Leistungsverbesserungsschaltung zugeführt, so sind ίο wenigstens vier Dioden in der Gleichrichterbrücke erforderlich. Weiterhin muß die Steuerschaltung, die für den Transistor ein Steuersignal bereitstellt, durch bestimmte Einrichtungen von der Leistungsschaltung isoliert werden.

Bei den aus den DE-OSn 24 61 440 oder 26 23 200 bekannten Stromversorgungsanordnungen wird das Schaltelement mit einer Frequenz ein- und ausgeschaltet, die größer ist als die von der Wechselspannungsquelle zugeführte Wechselspannung, wodurch eine wesentliche Verbesserung des Leistungsfaktors möglich ist. Durch die dauernde Umschaltung ist jedoch der Anteil an Höherharmonischen im Wechselstrom verhältnismäßig hoch, so daß entsprechend auch der Leistungsfaktor noch unbefriedigend ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Stromversorgungsanordnung zu schaffen, mit der der erzielbare Leistungsfaktor weiter verbessert ist.

Diese Aufgabe wird ausgehend von der gattungsgemäßen Stromversorgungsanordnung erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 beschriebenen Maßnahmen gelöst.

Da durch die erfindungsgemäße Steuerschaltung die Umschaltung des Schaltelements im Bereich des Maximalwertes des Stromes aussetzt, wo der Strom J5 ohnehin einen annähernd sinusförmigen Verlauf hat, wird der Anteil an Höherharmonischen im Wechselstrom erheblich vermindert und dadurch der Leistungsfaktor verbessert.

Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemä-Ben Slromversorgungsanordnung ist Gegenstand des Patentanspruchs 2.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer Ausführungsform einer Stromversorgungsanordnung,

Fig. 2 im Diagramm Spannungs- und Stromverläufe zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung von Fig. 1.

Fig. 3 in einem Diagramm die Abhängigkeit des Leistungsfaktors Pf vom Tastverhältnis Dc bei einer festgelegten Wcchselstromgrenze in der Leistungsfaktorverbesserungsschaltung von Fig. I,

Fig. 4 in einem Diagramm die Abhängigkeit der Wechselstromgrenze lsi. vom Leistungsfaktor Pf, bezogen auf den Gleichstrom Id,

Fig. 5 in einem Diagramm die Abhängigkeit der Wechselstromgrenze /.«. vom Tastverhältnis Dc, bezogen auf den Gleichstrom Id,

F i g. 6 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der Stromversorgungsanordnung und

F i g. 7 in einem Zeitdiagramm die an den verschiedenen Stellen der Schaltung von F i g. 6 erzeugten Signale. In F i g. 1 ist eine Grundschaltung einer erfindungsgemäßen Stromversorgungsanordnung gezeigt, bei wclfei eher eine Wechselspannungsquellc 1 mü einer Gleichrichterbrücke 2 und einer Leistungsfaktorverbesscrungsschaltung 3 so verbunden ist, daß der Ausgangswechselstrom der Gleiehrichterbrückc 2 durch einen

Kondensator 4 geglättet und dann einem Wechselrichter 5 zugeführt wird.

Die Ausgangsklemmen des Wechselrichters 5 sind mit einer Last 6 verbunden, beispielsweise einem Wechselstrommotor.

Die Leistungsfaktorverbesserungsschaltung 3 enthält eine Gieichrichterschaltung, die aus Dioden D₁ bis D₆ besteht, von denen die Dioden D₃ und D₄ Bestandteil der Gleichrichterbrücke 2 sind, einen Transistor Γι, der ein Schaltelement l'üdet, welches zwischen die Kathoden der Dioden D₅, D₆ und die Anoden der Diodon D₃, D₄ geschaltet ist, sowie eine Drosselspule 7, die in Reihe zwischen die Wechselspannungsquelle 1 und eine Eingangsklemme der Gleichrichterbrücke 2 geschaltet ist.

Die Arbeitsweise dieser Leistungsfaktorverbesserungsschaltung 3 wird anhand von Fig.2 erläutert. F i g. 2a zeigt den Verlauf der Wechselspannung Vs der Wechselspannungsquelle 1. Der Wechselstrom Is, der der Wechselspannung Vs entspricht, hat eine solche Form, daß er nur bei dem Mittelwert des Restwertes der Wechselspannung Vs bei Fehlen der Leistungsfaktorverbesserungsschaltung 3 fließt, wie dies ir Fig.2b gezeigt ist.

Der Grund dafür besteht darin, daß der Ausgangsgleichstrom der Gleichrichterschaltung 2 durch den Kondensator 4 geglättet wird. Nimmt man an, daß die Wechselspannung keine Verzerrung hat, so wird der Leistungsfaktor Pf der Wechselspannungsquelle dieser Schaltung von der Phasendifferenz zwischen dem Strom und der Spannung der Grundwelle kaum beeinflußt, jedoch hauptsächlich vom Verzerrungsfaktor des Eingangsstroms.

Daraus ergibt sich, daß der Eingangswechselstrom Is bei fehlender Leistungsfaktorverbesserungsschaltung 3 eine Impulsform hat und eine Anzahl von hohen Harmonischen enthält, so daß der Leistungsfaktor Pf der Schaltung, gesehen von der Wechselspannungsquelle 1 her, insgesamt etwa 60% beträgt.

Durch die Hinzufügung der Leistungsfaktorverbesserungsschaltun^. wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, fließt der Eingangswechselstrom Is auch in einer Periode, während der er sonst nicht fließen würde, was in F i g. 2c gezeigt ist. wodurch die hohen Harmonischen für einen verbesserten Leistungsfaktor /-"/"reduziert werden.

Insbesondere wird der Transistor 71 der Leistungsfaktorverbes-ierungsschaltung 3 durch die Steuerschaltung 8 von Fig 1 ansprechend pm! das Treibsignal V₀ ein- und ausgeschaltet (Fig. 2dJ. Die Wechselspannungsquelle 1 wird durch die Drossel 7, die Dioden Ds, Dt (oder Db. Dj) und den Transistor T\ kurzgeschlossen, so daß der Strom bei eingeschaltetemTransistor 71 zunimmt. Venn der Transistor 71 darauffolgend abgeschaltet wird, sorgt die in der Drosselspule 7 während der Einschaltzeit des Transistors Ti gespeicherte Energie dafür, daß der Strom /5. obwohl er abnimmt, über die Gleichrichterbrücke 2 weiter in den Kondensator 4 fließt. Dieser Vorgang wird sequentiell wiederholt, um dadurch einen Strom As zu erhalten, der der Änderung der Spannung Ks gleich ist.

Bei dieser Stromversorgungsanordnung wird die Lcisiungsfakiorverbcsserung an der Lcistungsfaktorvcrbesserungsschallung 3 hauptsächlich durch zwei entscheidende Faktoren beeinflußt.

Der eine faktor ist da«. Tastverhältnis Dc. nämlich das Verhältnis der Einschall/cit Ton des Transistors 71 zu dessen Sihaltpcriode 7c( = To η'Tc χ K)O)(IIg. 2d).Der andere Faktor ist die 7x\' 7Ί der Schaluweratiop des Transistors 71 in einem Zyklus der Wechselspannung Ks, worauf im folgenden als Zerhackeroperationszeit Bezug genommen wird.

In der Schaltung von F i g. 1 wird die Zerhackeroperationszeit T* dadurch bestimmt, daß der Transistor Γ· abgeschaltet wird, wenn der Wechselstrom Is von Fig.2c eine vorher festgelegte Stromgrenze lsi, überschreitet.

Es hat sich gezeigt, daß, es einen Optimalwert für die Zerhackeroperationszeit T_A und den Arbeitszyklus Dc gibt, um den Leistungsfaktor Pf auf ein Maximum zu bringen, was von der Größe der Last, nämlich der Größe des Gleichstroms /din F i g. 1, abhängt.

Im Hinblick darauf, daß es einen Optimalwert für das Tastverhältnis Dc und die Zerhackeroperationszeit Ta entsprechend der Größe der Last gibt, wird nun das Verfahren zur Steuerung der Zerhackeroperationszeit und des Arbeitszyklus entsprechend der Lastgröße beschrieben.

-ⁿ F i g. 3 zeigt die Abhängigkeit des Leistungsfaktors Pf vom Tastverhältnis Dc bei einer festf "fegten Wechselstromgrenze Ist zur Bestimmung der Zerhackoperationszeit Τ_Λ. Man sieht in der Zeichnung, daß der Arbeitszyklus Dc, der dem maximalen Leistungsfaktor P/zugeordnet ist, sich mit dem Gleichstrom /c/ändert.

Die Abhängigkeit des Leistungsfaktors Pf von der Wechselstromgrenze Isl ist in F i g. 4 gezeigt. Die Kurve A stellt den Fall dar, in welchem der Gleichstrom Id= ld\. Die Kurve B stellt den Fall dar, in welchem

^iü Id= Id₂, wobei ld\ kleiner als Id₂ ist.

Wie in F i g. 4 weiterhin gezeigt ist, gibt es einen Wert für die Wechselstromgrenze Isl zur Maximierung des Leistungsfaktors Pf entsprechend der Änderung des Gleichstroms Id.

ⁱ ' F i g. 5 zeigt die Abhängigkeit der Wechselstromgrenze lsi vom Tastverhältnis Dc, bei welchem der Leistungsfaktor Pf für verschiedene Gleichströme Id, wie sie in F i g. 3 und 4 gezeigt sind, ein Maximum wird. Der Gleichstrom Id hat eine im wesentlichen lineare Beziehung zu der Wechselstromgrenze lsi. und zu dem Tastverhältnis Dc, was durch die nachstehende Näherung'gleichung ausgedrückt werden kann.

j. Wechsclstromgrenze l_sl. = K₁Id+K₂ (1)

Tastverhältnis Dc = K,ld (2)

wobei Ku K2 und K\ Konstanten sind. die. wie Versuche zeigen, die Werte von 2. 5 bzw. 5. wenn die ">" Schaltperiodc 7V500 ns ist und die Drosselspule 7 2 mH aufweist.

Wenn die Wechseistromgrcnze A. und das Tastverhältnis Dc entsprechend dem Gleichstrom Id gesteuert werden, wie dies in den Gleichungen (1) und (2) gezeigt ist, erhalt man für jeden Wert des Gleichstroms Idden maximalen Leistungsfaktor.

F i g. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Steuerschaltung 8. F i g. 7 zeigt in einem Zeitdiagranim die an den verschiedenen Stehen von F i g. 6 erzeugten Signale. μί In Fig. b wird der Wechselstrom Is durch den Widerstand Rs gemessen, der zwischen die Anodenklemmen der Dioden D_s. Di und den Emitter des Transistors 71 geschaltet ist.

Der über den Widerstand Rs fließende Strom ist das ^h> Ergebnis der Vollwcllenglcichrichtung des Wechselstroms Is[V i j:. 7i). Diⁿ WcchsclstromnicHsp.innu'.ij! V/., (Fig. 7e) wird dadurch erhalten, daß die Spannung am Widerstand /fs über den Verstarker 9 verstärkt wird.

Der Gleichstrom ld(\ i g. 7a) wird andererseits durch Jen einen niedrigen Wert aufweisenden Widerstand Rd gemessen, der /wischen den (ilältungskondcnsiiior 4 und die negative F.ingangsklemme des Wechselrichters 5 geschaltet ist. und verstärkt, wahrend er gleichzeitig durch den Verstarker 10 gemittelt wird, wodurch eine Gleichstrommeßspannung Vm(F' i g. 7b)erzeugt wird.

Für eine solche Korrektur der GleichstrommrHspannung Vm daß Gleichung (2) genügt wird, ist ein Rechenverstärker 11 vorgesehen. Das Ausgangssignal des Rechenverstärkers 11 und das Ausgangssignal Vj eines Drcicckspannunpsgcncnitors 12 zur Fvr/cugiing einer Dreieckspannung, deren Frequenz höher als die rier Wechsclspannungsciuelle 1 ist (Fig. 7c). werden einem ersten Komparator 13 zugeführt und miteinander ι verglichen. Als Ergebnis erzeugt der erste Komparator IJ ein /.erhackersignal CVZ(Fi g. 7d). Das Tastverhältnis Dc dieses Zerhackersignals CII genügt der Gleichung (2) im Hinblick auf den Gleichstrom Id. Die Gleichsirommeüspaiinung 'y'n> wird iuicii einem Reciienverstärker 14 zugeführt.

Der Rechenverstärker 14 dient zum Korrigieren der (iieichstrommeßspannung Vm derart, daß er der Beziehung der Gleichung (1) im Hinblick auf die Weehselstromgrenzc lsi. genügt. Das Ausgangssignal des Rechenverstärkers 14 und die WechselstrommcQ-spannung K/s werden einem zweiten Komparator 15 zugeführt und umeinander verglichen, wodurch ein Üb'Tsirommeßsignal OW(Fi g. 7f) erzeugt wird.

Der Rücksetzklcmme eines Flip-Flops 16. dessen Setz Piioiitätsklcmme das Überstrommeßsignal OVI zugeführt wird, wird das Ausgangssignal der Detektorschaltung 17 zum Messen des Anstiegszeitpunktes des Zerhackersignals CHaufgeprägt.

Das Ausgangssignal des Flip-Flops 16 wird in Form des Unterdrückungssignals SUP (F i g. 7g) der NOR-Schaltung 18 zusammen mit dem Zerhackersignal CH zugeführt, wodurch ein Steuersignal V_n (Fig. 7h) gebildet wird. Das heißt mit anderen Worten, daß ansprechend auf die Erzeugung des Übersirommeßsignals OVI der Transistor /ι bis zum Zeitpunkt der F.r/eugung des nächsten Zerhackersignals CH abgeschaltet wird.

Während der Periode, in der das Überstrommeßsignal OVI kontinuierlich erzeugt wird, bleibt jedoch der * Transistor 7", ohne Berücksichtigung des Zerhackersignals CH abgeschaltet. Dadurch wird die Zerhacker-Operationszeit T,\ durch das Überstrommeßsignal OVI bestimmt.

Durch Steuern des Transistors 7", der Leistungsfaktorverbesserungsschaltung 3 durch die Steuerschaltung 8. wie es in F i g. 0 gezeigt 'St, erhöht eine Änderung nach oben, beispielsweise des Gleichstroms Id, bei der Größe des Ausgangsstroms des Wechselrichters 5, nämlich bei der Größe der Last, automatisch das Tastverhältnis Dc und die Wechselstromgrenze /5z. entsprechend den Gleichungen (1) und (2), so daß die Zerhackeroperationszeit T_A vergrößert wird, was automatisch zu einem neuen Operationsmodus führt, bei welchem der Leistungsfaktor /Vein Maximum bei dem neuen Wert des Stroms Id ist. nämlich unter einem neuen Lastzustand.

Weil die Zerhackeroperationszeit Λ <·ο bestimmt wird, daß die Zerhackeroperation des Transistors "Γι unterbrochen wird, wenn der Wechselstrom Is die Wcchsclsimmgrenzc lsi überschreitet, wird verhindert, daß der Transistor 7\ durch einen 1 Iberslrom beschädig! wird, so daß seine Betriebssicherheit verbessert ist.

Wie vorstehend erläuert wurde, wird bei den Ausführungsformen der F" i g. 3 bis 7 die Zerhackeroperatiens/eit T.\ dadurch bestimmt, daß der Wechselstrom la gemessen und ι. Wechselstromgrenze /·,/ abhängig vom Gleichstrom Idgesteuert wird. Alternate kann die Zerhackeroperationszeit 7'.t dadurch festgelegt werden. daß die Wechselspannung gemessen und abhängig vom Gleichstrom /(/direkt gesteuert wird.

Weiterhin wird bei den vorstehenden Ausführungsformen der Gleichstrom Id als Größe der Last gemessen, wobei die LciMtii'i^ifiikuji'sci ucSiciuiigv schaltung 3 entsprechend dem Gleichstrom Id betätigt wird. Anstelle dieses Verfahrens kann der Lastzustand beispielsweise durch den Ausgang des Inverters 5 dargestellt werden, der die Last ist. jedoch nicht vom Gleichstrom Id, um die erfindungsgemäßen Ziele zu erreichen.

Zur Vereinfachung der .Schaltungsausbildung kann der Zerhackeroperationszeit T.\ oder der -V heits/ykliis Occnts.vcchend der Größe der L.ist gesteuert werden.

Erfindungsgemäß ist es so möglich, die Anzahl der Dioden zu verringern, welche die Leistungsfaktorverbesserungsschaltun^ bilden, und .:war dadurch, daß die Leistungsfaktorverbesserungsschaltung 3 mit der Gleichrichterbrücke 2 an der Ausgangsseite der Gleichrichlcrbrücke 2 integriert wird.

Weiterhin teilt der Wechselrichter 5, dem das Ausgangssignal der Gleichrichterbrücke 2 zugeführt wird, eine Potentialleitung, nämlich die negative Ausgangsleitung der Gleichrichterbrücke 5, mit der Leistungsfaktorverbesserungsschaltung 3. Deshalb können die Steuerschaltungen dafür integric t werden, was zur Folge hat, daß Isoliereinrichtungen entfallen, wodurch der Gesamtaufbau der Anordnung im Hinblick auf eine verbesserte Produktivität vereinfacht ist.

Weil wenigstens das Tastverhältnis des Schaltelementes oder die Schaltoperationszeit des .Schaltelementes, welche die wesentlichsten Faktoren für die Leistungsfaktorverbesserung der Leistungsfaktorverbesserungsschaltung sind, entsprechend der Größe der Last gesteuert wird, kann der Leistungsfaktor für das Tastverhältnis und die Schaltoperationszeit. die dem neuen Lastzustand zugeordnet sind, auf ein Maximum gebracht werden, auch wenn sich die Last ändert.

Als Folge davon ist es möglich, die Leistungsfaktorverbesserung über einen weiten Bereich von Lastzuständen trotz eines vorher festgelegten Lastzustandes zu maximieren, für den die maximale Leistungsfaktorverbesserung bei den herkömmlichen Leistungsfaktorverbesserungsschaltungen begrenzt ist.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Stromversorgungsanordnung

— mit einer Wechselspannungsquelle (1),

— mit einer an die Wechselspannungsquelle angeschlossenen Gleichrichterbrücke (2) und

— mit einer Leistungsfaktorverbesserungsschaltung (3), die ein die Gleichstromseite der Gleichrichterbrücke (2) kurzschließendes Schaltelement (T\) enthält, das von einer zugehörigen Steuerschaltung (8) mit einer Frequenz ein- und ausschaltbar ist, die größer ist als die der Wechselspannungsquelle,