DE3303223A1

DE3303223A1 - Stromversorgungsvorrichtung

Info

Publication number: DE3303223A1
Application number: DE19833303223
Authority: DE
Inventors: Soeren Rathmann
Original assignee: Silcon Elektronik AS
Current assignee: Silcon Elektronik AS
Priority date: 1983-02-01
Filing date: 1983-02-01
Publication date: 1984-08-09
Also published as: SE462822B; GB2134339B; GB8402394D0; CA1211788A; DE3303223C2; SE8400405L; SE8400405D0; GB2134339A; US4608499A

Description

DR.-ING. ULRICH KNOBLAUCH PATi=MTANiwuAiT β frankfurt/main ι, den 31. Jan. 1983

KAItNIAIMWALI KUHHORNSHOFWEG 10

POSTSCHECK-KONTO FRANKFURT/M 3425 6Ο5 J V-Vk

DRESDNER BANK. FRANKFURT/M 2 3OO 3OB TELEFON- 56 10 78 IS. . U

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SILCON ELEKTRONIK A/S, DK-6000 Kolding

Stromversorgungsvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromversorgungsvorrichtung mit einer Wechselspannungsquelle für einen über einen Gleichrichter und einen Glättungskreis mit Glättungskondensator gespeisten Gleichstrom-Verbraucher.

Um einen Gleichstromverbraucher aus einer Wechselspannungsquelle mit Gleichstrom zu versorgen, ist es bekannt, die Ausgangswechselspannung der Wechselspannungsquelle durch einen Gleichrichter gleichzurichten und zu glätten, bevor sie dem Gleichstromverbraucher zugeführt wird. Der hierfür verwendete Glättungskondensator hat eine verhältnismäßig hohe Kapazität, um eine möglichst geringe Welligkeit der Ausgangsgleichspannung sicherzustellen. Eine hohe Kapazität ist auch dann von Vorteil, wenn der Glättungskondensator gleichzeitig als Pufferkondensator dienen soll, um einen kurzzeitigen Ausfall der Wechselspannungsquelle zu überbrücken oder eine kurzzeitige hohe Belastung auf der Gleichspannungsseite auszugleichen. Im Normalbetrieb wird sich der Glättungskondensator daher nicht vollständig zwischen zwei aufeinanderfolgenden Halbwellen der Wechselspannung entladen.

Ferner fließt der Eingangsstrom des Gleichrichters (bzw. der Ausgangsstrom der Wechselspannungsquelle) immer nur so lange, wie die Amplitude der Wechselspannung höher als die Restspannung des Glättungskondensators ist. Demzufolge ist die Stromflußzeit auf der Eingangsseite des Gleichrichters bzw. der Stromflußwinkel des Gleichrichters in jeder Halbwelle der Ausgangswechselspannung der Wechselspannungsquelle in der Regel wesentlich kürzer als die Dauer einer Halbwelle der Wechselspannung. Die Stromflußzeit ist umso kürzer, je höher die Kapazität des Glättungskondensators ist. Dies ergibt ein ungünstig hohes Verhältnis des Effektivwertes zum Mittelwert des durch den Gleichrichter fließenden Stroms. Der Gleichrichter muß daher auf einen sehr viel höheren Spitzenwert des Stroms ausgelegt sein, als es dem Gleichstrommittelwert entspricht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strom-Versorgungsvorrichtung der gattungsgemäßen Art anzugeben, die ein geringeres Verhältnis von Effektivwert zu Mittelwert des Gleichrichterstroms sicherstellt.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Ausgangswechselspannung der Wechselspannungsquelle bei Belastung wenigstens angenähert trapezförmig und ihre Flankensteilheit gleich oder größer als die einer Sinusspannung mit gleicher Maximalamplitude und Periodendauer wie die der Trapezspannung ist. 30

Bei dieser Ausbildung der Wechselspannungsquelle ist der Stromflußwinkel des Gleichrichters auch bei hoher Kapazität des Glättungskondensators größer als bei einer Sinusspannung mit gleicher Maximalamplitude und Periodendauer wie der Trapezspannung.

Sodann ist der Verlauf des Eingangsstroms des Gleichrichters annähernd

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rechteckförmig. Das Verhältnis von Effektivwert zu Mittelwert des Gleichrichtereingangsstroms ist daher kleiner als bei sinusförmiger Ausgangswechselspannung der Wechselspannungsquelle, so daß der Gleichrichter auf einen geringeren Spitzenwert des Eingangsstroms ausgelegt oder besser ausgenutzt werden kann. Die endliche Steilheit der Trapezflanken ermöglicht die Verwendung eines Glättungskondensators mit höherer Kapazität als bei einem rechteckigen Verlauf des Gleichrichtereingangsstroms.

Vorzugsweise ist dafür gesorgt, daß die Ausgangswechselspannung der Wechselspannungsquelle sich mit abnehmender Belastung der Sinusform nähert; und im Leerlauf sinusförmig ist. Hierbei wird der pberwellengehalt der Ausgangswechselspannung mit abnehmender Belastung geringer, so daß auch der Kondensator und damit der Gleichrichter nicht mit höherfrequenten Wechselströmen belastet wird.

Sodann kann die WechselSpannungsquelle eine Regeleinrichtung aufweisen, durch die der Mittelwert der Ausgangswechselspannung der Wechselspannungsquelle, unter Beibehaltung eines konstanten Maximalwertes der Amplitude der Ausgangswechselspannung, auf einen vorgegebenen Sollwert regelbar ist. Auf diese Weise ergibt sich eine selbsttätige Vergrößerung des Stromflußwinkels des Gleichrichters, wenn die Belastung zunimmt, da die Ausgangswechselspannung bei steigender Belastung (zunächst) abzunehmen beginnt und diese Abnahme bei konstanter Maximalamplitude nur durch Erhöhung der Spannungszeitfläche und damit des Stromflußwinkels ausgeglichen werden kann.

Im Einzelnen kann dies dadurch erreicht werden, daß die Regeleinrichtung einen den Mittelwert der Ausgangswechselspannung erfassenden Wechselspannungsregler und einen Kurvengenerator mit einem durch die Ausgangsspannung des Wechselspannungsreglers in seiner Amplitude steuerbaren Sinusgenerator mit doppelseitiger Amplitudenbeschneidung aufweist und daß die Ausgangswechselspannung der Wechselspannungsquelle der Ausgangsspannung der Regeleinrichtung nachgeführt ist. Hierbei sorgt der Kurvengenerator für die Konstanthaltung der Amplitude und der Wechselspannungsregler für die Konstanthaltung des Mittelwertes der Ausgangswechselspannung.

Wenn der Ausgangsspannung des Kurvengenerators eine den Ausgangsstrom der Wechselspannungsquelle darstellende Strommeßspannung gegensinnig überlagert ist, erhöht sich selbsttätig der Stromflußwinkel mit zunehmender Belastung.

Die Ausgangswechselspannung kann der Ausgangsspannung der Regeleinrichtung über einen steuerbaren aus einer Gleichspannungsquelle gespeisten Stromrichter nachgeführt sein. Der Stromrichter bildet hierbei auf einfache Weise das Leistungs-Stellglied des Regelkreises.

Die Steuerimpulse für den Stromrichter können durch einen Vergleicher mit Kippverhalten erzeugt werden, dem die Ausgangsspannung eines Dreieckgenerators und die Ausgangsspannung der Regeleinrichtung zugeführt werden, wobei der Dreieckgenerator mit dem Kurvengenerator synchronisiert ist und eine um ein Vielfaches höhere Frequenz als diese aufweist. Dies

ergibt auf einfache Weise eine Tmpulsbreitenmodulation der Steuerimpulse des Stromrichters, so daß der Stromrichter, nach Heraussiebung der Steuerimpulsfrequenz und ihrer Oberwellen, eine Ausgangswechselspannung erzeugt, deren Kurvenform der der Ausgangsspannung der Regeleinrichtung bzw. des Kurvengenerators entspricht. Die Abhängigkeit der Kurvenform der Ausgangswechselspannung von der Belastung läßt sich dann dadurch erreichen, daß dem nicht durch den Dreieckgenerator beaufschlagten Eingang des Kippverhalten aufweisenden Vergleichers ein Vergleicher ohne Kippverhalten vorgeschaltet ist, dem die Ausgangsspannung des Kurvengenerators und die Stromrneßspannung zugeführt werden.

Eine besonders günstige Ausbildung kann darin bestehen, daß der Stromrichter ein Urnkehrstromrichter ist, der wechselspannungsseitig an einen Wechselstromgenerator anschaltbar ist, daß die Gleichspannungsquelle ein elektrischer Energiespeicher, z.B.

eine aufladbare Batterie oder ein Elektrolytkondensator, ist, daß ein Gleichspannungsregler für die Gleichspannung der Gleichspannungsquelle vorgesehen ist, der die Gleichspannung durch Verschiebung der Phasenlage der Wechselspannung auf der Wechselspannungsseite des Stromrichters relativ zur Phasenlage der Ausgangsjspannung des Wechselstromgenerators unter Phasenverschiebung der Steuerimpulse des Stromrichters in Abhängigkeit von der Gleichspannung stabilisiert, und daß zwischen der Wechselspannungsseite des Stromrichters und den Wechselstromgeneratoranschlüssen ein Strombegrenzungswiderstand liegt. Hierbei wirkt die otromversorgungijvorrichtung gleichzeitig als Notstromaggregat - wie das Notstromaggregat nach der deutschen Patentschrift 30 33 034 - , bei dem wesentliche Teile der Hegeleinrichtung und des Impulsbreitenmodulators sowohl ZUi" Steuerung der Phasenlage der Wechselspannung als auch zur Stabilisierung

der Batteriespannung und der ausgangsseitigen Wechselspannung herangezogen werden. Sodann wird die Stromversorgung des Verbrauchers sowohl bei einem Ausfall des Umkehrstromrichters als auch bei einem Ausfall des Wechselstromgenerators unterbrechungslos aufrecht erhalten. Wenn zwischen Stromrichter, Netz und Verbraucher eine galvanische Trennung erforderlich oder erwünscht ist, kann - wie bei dem deutschen Patent 31 28 030 - dafür gesorgt sein, daß der Strombegrenzungswiderstand durch einen Streufeld-Transformator mit drei Wicklungen gebildet ist, von denen die eine Wicklung mit der Wechselspannungsseite des Stromrichters verbunden, die zweite Wicklung mit den Wechselstromgeneratoranschlüssen verbindbar und die dritte Wicklung mit den Verbraueheranschlüssen verbunden ist. Dieser Streufeld-Transformator sorgt nicht nur für eine galvanische Trennung, sondern gleichzeitig auch für die erforderliche Strombegrenzung. Ein spezieller Strornbegrenzungwiderstand entfällt daher.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachstehend anhand der Zeichnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen: 25

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Stromversorgungseinrichtung für einen Wechselst rornverb rauche r, der einen Gleichrichter mit Gläbtungskreis und angeschlossenem Gleichstromverbraucher aufweist,

Fig. 2 den Verlauf des Eingangsstroms und der Eingangsspannung des Gleichrichters bei sinusförmiger Ausgangsspannung der Stromversorgungsvorrich-3^tj tung und einem Glättungskondensator mit geringer Kapazität,

Fig. 3 den Verlauf des Eingangsstroms und der Eingangsspannung des Gleichrichters bei sinusförmiger Ausgangsspannung der Stromversorgungsvorrichtung und einem Glättungskondensator mit hoher Kapazität,

-Fig. 4 den Verlauf des Eingangsstroms und der Eingangsspannung des Gleichrichters bei erfindungsgemäßer Formgebung der Ausgangsspannung der Stromversorgungsvorrichtung und geringer

Belastung,

Fig. 5 den Verlauf des Eingangsstroms und der Eingangsspannung des Gleichrichters bei erfindungsgemäßer Formgebung der Ausgangsspannung der

Stromversorgungsvorrichtung und Vollast und

Fig. 6 ein Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Stromversorgungsvorrichtung.

Die Stromversorgungsvorrichtung N nach Fig. 1 stellt eine Wechselspannungsquelle dar. Diese erzeugt eine Wechselspannung U, die einen Verbraucher 1 an Verbraucheranschlüssen 2 mit einem Wechselstrom I versorgt. Der Verbraucher 1 besteht aus einem Gleichrichter la in Brückenschaltung, einem am Ausgang des Gleichrichters la angeschlossenen Glättungskreis, der einen ohmschen Widerstand Ib in Reihe mit einem Glättungskondensator Ic aufweist und aus einem parallel zum Glättungskondensator Ic liegenden ohmschen Gleichstromverbraucher ld. Der Glättungskondensator Ic wirkt gleichzeitig als Pufferkondensator für den Fall einer kurzzeitigen hohen Belastung oder eines kurzzeitigen Ausfalls der Stromversorgungsvorrichtung N.

Zur Erläuterung des Grundgedankens der Erfindung sei zunächst angenommen, daß die Ausgangswechselspannung U der Stromversorgungsvorrichtung N sinusförmig sei, wie es in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist. Ferner sei angenommen, daß der Glättungskondensator Ic eine Restspannung Uc aufweise. Dann beginnt der Ausgangsstrom der Stromversorgungsvorrichtung N bzw. der Eingangsstrom I des Gleichrichters la erst in dem Augenblick zu fließen, in dem die Spannung

¹^ U die Spannung Uc überschreitet, wie es in den Fig. 2 und 3 für verschieden hohe Restspannungen Uc und Kapazitäten des Glättungskondensators Ic dargestellt ist. Der Strom I wird unterbrochen, sobald die Spannung U wieder die Spannung Uc unterschreitet, sofern sich der Glättungskondensator Ic langsamer entlädt als die Spannung U abnimmt, was hier wegen der üblicherweise hohen Kapazität eines Glättungsbzw. Pufferkondensators vorausgesetzt wird. In den Diagrammen nach den Fig. 2 und 3 (und nach den Fig. 4 und 5) ist ferner zur Vereinfachung der Darstellung und Erläuterung der wegen der hohen Kapazität geringfügige Anstieg der Spannung Uc am Glättungskondensator Ic während jeder Halbwelle der Spannung U vernachlässigt. Ferner ist bei Fig. 2 eine kleinere Kapazität des Glättungskondensators Ic als bei Fig. 3 angenommen.

Der Strom I fließt mithin nur während eines Zeitabschnitts jeder Halbwelle der Spannung U, der kurzer als die halbe Periodendauer der Spannung U ist.

Je höher die Kapazität und damit die Restspannung Uc des Glättungskondensators Ic ist, umso kurzer ist die Stromflußzeit (siehe Fig. 3). Ebenso nimmt die Maximalamplitude des Stroms I mit steigender Kapazität des Glättungskondensators Ic zu. Der Verlauf des Stroms I weicht daher stark von seinem Mittelwert

(einem idealen Gleichstrom) ab, d.h., um durch den Gleichrichter la eine bestimmte Leistung zu übertragen, muß der Strom I einen Spitzenwert aufweisen, der erheblich höher als ein über die gesamte Halbwelle konstanter Gleichstrom ist, durch den die gleiche Leistung übertragen wird. Dies bedeutet, daß der Gleichrichter la auf einen entsprechend höheren Spitzenstrom ausgelegt sein muß als es zur Übertragung einer bestimmten Leistung durch eine Rechteck-Wechselstrom mit über beide Halbwellen konstanter Amplitude erforderlich wäre.

Die Stromversorgungsvorrichtung N erzeugt daher eine Spannungen U bzw. Uo wie sie in den Fig. 4 und 5 für verschiedene Belastungen dargestellt sind.

Lediglich im Leerlauf ist die Spannung U = Uo sinusförmig. Bei Belastung ist sie dagegen zumindest angenähert trapezförmig, wobei ihr Maximalwert stets gleich dem Maximalwert der Leerlaufspannung Uo ist. Der Strom I hat daher ebenfalls einen angenähert trapezförmigen Verlauf, so daß das Verhältnis seines Effektivwertes zu seinem Mittelwert nur wenig höher als der Idealwert von "1" ist. Mit zunehmnder Be- ^ lastung wird die Steilheit der Trapezflanken bei konstanter Maximalamplitude selbsttätig erhöht, so daß die Restspannung Uc entsprechend früher in jeder Halbwelle überschritten bzw. später unterschritten wird. Die Stromflußzeit in jeder Halbwelle nimmt daher ebenfalls zu, wie Fig. 5 in Vergleich zu Fig. zeigt. Der Verlauf des Stroms I nähert sich daher mit steigender Belastung immer mehr der idealen Rechteckform, ohne sie jedoch - auf Grund der Trapezform der Spannung U - je zu erreichen. Die Trapezform hat gegenüber der hinsichtlich des Formfaktors idealen Rechteckform den Vorteil, daß der Glät-

tungskondensator lc nicht durch Impulse mit zu steilen Flanken beaufschlagt wird, was ebenfalls zu einer Überlastung des Gleichrichters la und des Glättungskondensators Ic führen kann, da der Glättungskondensator Ic für rasche Spannungsänderungen praktisch einen Kurzschluß darstellt, insbesondere wenn er eine sehr hohe Kapazität aufweist. Die Kapazität kann daher ebenfalls entsprechend höher als im Falle eines ansonsten idealen Rechteckstroms I gewählt werden, so daß er eine entsprechend bessere Glättungsund Pufferwirkung hat.

Wie die Figuren 4 und 5 zeigen, wird die Trapezform der Spannung U dadurch erreicht, daß eine in ihrem Spitzenwert veränderbare Sinusspannung beidseitig beschnitten bzw. bei zunehmendem Spitzenwert auf einen konstanten Wert begrenzt wird.

Fig. 6 zeigt den Aufbau eines als Notstromaggregat

PO ausgebildeten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Stromversorgungsvorrichtung ausführlicher. Der Wechselstromverbraucher 1 liegt über die Anschlüsse 2 an der Ausgangsseite eines Streufeld-Transformators 8, der seinerseits mit einer Eingangsseite an wechselspannungsseitigen Anschlüssen 3 eines steuerbaren Stromrichters 6, hier eines Umkehrstromrichters, der als Gleichrichter und Wechselrichter betreibbar ist, liegt. Der Stromrichter 6 liegt über einen gleichspannungsseitigen Anschluß 4 an einer ladbaren Batterie 5 und enthält eine Brückenschaltung aus steuerbaren Ventilen 6a, hier Anreicherungs-Isolierschicht-Feldeffekttransistoren. Die Ventile 6a werden durch einen Impulsbreitenmodulator 6b gesteuert. Sodann sind die wechselspannungsseitigen Anschlüsse des Stromrichters 6 bzw. die Verbraucheranschlüsse über einen Trennschalter 7 und den Streufeldtrans-

formator δ an Anschlüssen 9 für einen Wechselstromgenerator 10 anschaltbar, bei dem es sich um das übliche Wechselstromversorgungsnetz handeln kann. Ein an der Verbindung zwischen den Wechselstromgeneratoranschlüsseri und dem Trennschalter 7 angeschlossener Spannungsfühler 11 löst selbsttätig die Unterbrechung dieser Verbindung durch den Trennschalter aus, wenn die Spannung des Wechselstromgenerators 10 bzw. die Netzspannung auf Grund eines Leitungsbruchs oder eines Kurzschlusses ausfällt.

Ein mit seinem Istwert-Eingang am gleichspannungsseibigen Anschluß 4 des Stromrichters 6 bzw. an der Batterie 5 liegender Gleichspannungsregler 12 steuert über einen Frequenzregler 12a die Phasenlage von rechteckförmigen Steuerimpulsen, die den Steueranschlüssen der steuerbaren Ventile 6a über den Impulsbreiten-Modulator 6b zugeführt werden. Dabei werden die Steuerimpulse in ihrer Phasenlage relativ zu der der Ausgangswechselspannung des Wechselstromgenerator 10 so verschoben, daß bei zu niedriger Batteriespannung im Mittel ein höherer pulsierender Gleichstrom aus dem Wechselstromgenerator 10 über den Stromrichter 6 und den Anschluß 4 in die Batterie 5 als aus der Batterie 5 über den Anschluß 4 in den Stromrichter 6 und zum Verbraucher fließt. Dadurch wird die Batterie 5 bis auf den gewünschten Sollwert aufgeladen, d. h., die Batterie-Spannung v/ird unabhängig von der durch den Verbraueher 1 bewirkten belastung stabilisiert.

Andererseits steuert, ein Wechselspannungsregler 13, dessen Istwert-Eingang mit den Anschlüssen 2 verbunden ist, über den Impulsbreiten-Modulator 6b das Ein/Aus-Verhältnis der Ventile derart, daß die durch Filterung der Ausgangsrechteckimpulse der

Ventile erzeugte Wechselspannung an den Anschlüssen 2 einen konstanten Mittelwert beibehält.

Wenn der Wechselstromgenerator 10 bzw. das Netz und damit die normale Betriebswechselspannung an den Wechselspannungsgeneratoranschlüssen 9 des Notstromaggregats ausfällt, öffnet der Spannungsfühler 11 sofort den Trennschalter 7, der als elektronischer Schalter ausgebildet sein kann, so daß der Verbraueher 1, ohne daß sein Betriebsstrom unterbrochen wird, jetzt aus der Batterie 5 über den nunmehr als Wechselrichter betriebenen Stromrichter 6 gespeist wird. Dabei bewirkt der Regler 13 weiterhin eine Stabilisierung der Wechselspannung an den Anschlüssen 3 bzw. am Verbraucher 1 bis die Batterie 5 entladen ist. Zweckmäßigerweise ist das Fassungsvermögen der Batterie 5 jedoch so bemessen, daß die normale Ladung der Batterie 5 ausreicht, den Verbraucher weiterhin hinreichend mit Energie zu versorgen, bis der Schaden behoben ist, der zum Ausfall des Wechselstromgenerators bzw. der Netzwechselspannung geführt hat.

Wenn die normale Betriebswechselspannung an den Wechselstromgeneratoranschlüssen 9 des Notstromaggregats wieder vorhanden ist, wird der Schalter 7 selbsttätig durch den Spannungsfühler 11 geschlossen und der Verbraucher 1 wieder aus dem Wechselstromgenerator 10 gespeist. Gleichzeitig sorgt i\ev Regler 12 für eine Wiederaufladung der Batterie 5 über den nunmehr überwiegend als Gleichrichter wirkenden Stromrichter 6.

Der Gleichspannungsregler 12 enthält einen Vergleieher ohne Kippverhalten in Form eines Differenzverstärkers 24, einen seinen nicht umkehrenden Eingang mit dem Anschluß 4 verbindenden Spannungsteiler

mit Glättungskondensator und eine die Sollwertspannung bestimmende Zener-Diode am umkehrenden Eingang des Differenzverstärkers 24.

Das ausgangsseitige Stellsignal des Reglers 12 wird

dem Stellsignal des Frequenzreglers 12a in einem • Summierglied 25 überlagert. Das Stellsignal des Frequenzreglers 12a wird von einem Phasenvergleicher 26 erzeugt, der die Phasen der von einem Impulsformer 27 in Rechtecksignale umgeformten Wechselspannungen des Wechselstromgenerator 10 und des Stromrichters vergleicht und die Phasendifferenz in eine entsprechende, Gleichspannung umformt. Das Summensignal des Summiergliedes 25 wird über einen Trennschalter 28, der ebenfalls durch den Fühler 11 gesteuert wird einem spannungsgesteuerten Oszillator 29 zugeführt, dessen Frequenz proportional seiner Steuerspannung ist. Das Ausgangssignal des Oszillators 29 bestimmt über den Impulsbreitenmodulator 6b die Schaltfrequenz der Ventile 6a und wird in dem Impulsbreitenmodulator 6b in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Wechselspannungsreglers 13 in der Weise impulsbreitenmoduliert, daß die Ausgangswechselspannung des Stromrichters 6 an den Anschlüssen 3 zwar gleich der Frequenz der Wechselspannung des Wechselstromgenerators 10, jedoch gegenüber dieser um einen Winkel phasenverschoben ist, bei dem sich die gewünschte Ladespannung der Batterie 5 ergibt, wenn das Ausgangssignal des Summiergliedes 25 Null oder annähernd Null ist.

Der Wechselspannungsregler 13 enthält ebenfalls einen Vergleicher ohne Kippverhalten in Form eines Differenzverstärkers 30, der die gleichgerichtete und geglättete Ausgangswechselspannung an den Anschlüssen 3 mit der den Sollwert der Ausgangswechselspannung bestimmenden Spannung an einer Zener-Diode

vergleicht und dem Impulsbreiten-Modulator 6b ein der Regelabweichung proportionales Signal, dessen Betrag die Impulsbreite bestimmt, als Stellsignal zuführt.
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Der Streufeld-Transformator 8 hat drei Wicklungen 31, 32, 33 und einen Eisenkern 34. Die Wicklung 31 liegt direkt an den Ausgangsanschlüssen 3. Die V/icklung 32 ist einerseits über den Trennschalter 7 und andererseits über eine Drosselspule mit den Wechselstromgenerator-Anschlüssen 9 verbunden. Die V/icklung 33 liegt über einen Stromwandler 34 an den Verbraucheranschlüssen 2. Sodann liegt zwischen den Anschlüssen 2 ein Siebkondensator 35, der die Steuerimpulsfrequenz des Stromrichters und deren Oberwellen beseitigt.

Der Streufeld-Transformator 8 sorgt für eine galvanische Trennung der Bauteile 1, 10 und 6 sowie zugleich wie ein induktiver Strombegrenzungswiderstand für eine Strombegrenzung zwischen den Anschlüssen 3 und 9 sowie zwischen den Anschlüssen 2 und 9. Er hat einen UI-Kern aus einem U-förmigen Kernteil und einem I-förmigen Kernteil 36, zwischen denen ein Luftspalt ausgebildet ist.

Auf den einen Schenkel des U-förmigen Kernteils sind die Wicklungen 31 und 33 gewickelt, während die Wicklung 32 auf dem anderen Schenkel des PCernteils angeordnet ist. Zwischen den Wicklungen 31 und 32 sowie zwischen den Wicklungen 32 und 33 ergibt sich wegen ihres größeren Abstands auf dem Kern und des Luftspalts ein merklicher Streufluß, dessen Streuinduktivität strombegrenzend wirkt, während die Wicklungen 31 und 33 sehr eng gekoppelt sind, so daß ihre Streuinduktivität vernachlässigbar ist.. Bezüglich des so-

weit beschriebenen Aufbaus und der Wirkungsweise des Notstromaggregats wird ergänzend auf die deutschen Patentschriften 30 33 034 und 31 28 030 verwiesen, deren Offenbarung in das vorliegende Schutzbegehren einbezogen ist. Der Impulsbreitenmodulator 6b enthält einen Kurvengenerator 36, der seinerseits einen in seiner Amplitude durch die Ausgangsspannung des 'Wechselspannungsreglers 13 steuerbaren Sinusgenerator mit doppelseitiger Amplitudenbeschneidung aufv/eist. Der Kurvengenerator 36 erzeugt daher mit steigender Ausgangsspannung des Wechselspannungsreglers 13 zunächst eine sinusförmige Spannung, deren Amplitude bei Erreichen eines vorbestimmten Maximalwerts, der dem Spitzenwert der Ausgangsspannung U des Notstromaggregats bei Leerlauf entspricht, auf diesen Wert beschnitten wird. Bei weiterer Steigerung der Sinusspannung des Sinusgenerators nimmt daher nur noch die Flankensteilheit und die Spannungszeitfläche (der Mittelwert) der Ausgangsspannung des Kurvengenerators 36, nicht jedoch der Maximalwert zu.

Die Ausgangsspannung des Kurvengenerators 36 wird ferner dem nicht umkehrenden Eingang (+) eines im Impulsbreitenmodulator 6b enthaltenen Vergleichers 37 ohne Kippverhai ten in Form eines Differenzverstärkers zugeführt. Dem umkehrenden Eingang (-) des Vergleichers 37 wird durch den Stromwandler 34 eine den Ausgangsstrom I des Netzstromaggregats darstellende Meßspannung zugeführt. Die Ausgangsspannung des Vergleichers 37 wird dem umkehrenden Eingang (-) eines weiteren Vergleichers 38 in Form eines Differenzverstärkers mit Kippverhalten zugeführt. Das heißt, der Differenzverstärker 38 hat eine so hohe Verstärkung,

^¹J- daß seine Ausgangsspannung sofort auf den einen oder anderen von zwei Werten kippt, sobald seine

Eingangsspannungen die geringste Differenz des einen oder anderen Vorzeichens aufweisen. Dem nicht umkehrenden Eingang des Vergleichers 38 wird die Ausgangsspannung eines Dreieckgenerators 39 zugeführt. Die rechteckförmigen Ausgangsimpulse des Vergleichers 38 werden über Trenntransformatoren 40 den Ventilen 6a als Steuerimpulse zugeführt.

Die Generatoren 36 und 39 werden durch die Ausgangsspannung des Oszillators 29 synchronisiert, wobei die Frequenz des Dreieckgenerators 39 etwa 10 kHz und die des Kurvengenerators 36 etwa 50 Hz beträgt.

Unter der Annahme, daß die Kurvenform bzw. der Verlauf des Ausgangsstroms I und damit die Meßspannung am umkehrenden Eingang (-) des Vergleichers 37 etwa trapezförmig und mit der trapezförmigen Ausgangsspannung des Kurvengenerators 36 etwa phasengleicvh ist, ist auch die Differenzspannung am Ausgang des Vergleichers 37 etwa trapezförmig. Die etwa trapezförmige Ausgangsspannung des Vergleichers 37 wird mit der dreieckförmigen Ausgangsspannung des Dreieckgenerators 39 durch den Vergleicher verglichen, und jedesmal, wenn die Dreieckspannung den Betrag der Trapezspannung über- oder unterschreitet, kippt die Ausgangsspannung des Vergleichers 38 auf den einen oder anderen V/ert. Die Breite der Ausgangs impulse des Vergleichers 38 nimmt daher im Verlaufe des Anstiegs der Vorderflanke eines Trapezimpulses zu, bleibt während der Dauer des Maximalwerts des Trapezimpulses konstant und nimmt dann mit der Rückflanke des Trapezimpulses wieder ab. Der Mittelwert der hochfrequenten Ausgangsimpulse des Vergleichers 38 und damit auch der Mittelwert der hochfrequenten Ausgangsimpulse des Stromrichters an den Anschlüssen bzw. den Ausgangsanschlüssen 2 hat daher einen ent-

sprechend trapezförmigen Verlauf mit einer Frequenz von nur 50 Hz.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise der durch die Elemente 13, 36 und 37 gebildeten Regeleinrichtung sei zunächst angenommen, daß die Spannung am nicht umkehrenden Eingang (+) des Vergleichers 37 konstant (gleich einem fest vorgegebenen Sollwert) ist. Wenn der Strom I dann ansteigt, wird die Spannung am Ausgang des Vergleichers 37 kleiner und mithin auch die Ausgangsspannung U. Eine kleinere Ausgangsspannung U hätte einen kleineren Ausgangsstrom I zur Folge, so daß sich die Spannung am Ausgang des Vergleichers 37 und mithin der Strom I wieder erhöht, bis sich schließlich ein Gleichgewichtszustand einstellt, bei dem die Eingangsspannungen des Vergleichers 37 etwa gleich sind. Da die Ausgangsspannung des Kurvengenerators 36 jedoch nicht konstant ist, sondern einen trapezförmigen Verlauf hat, wird der Verlauf des Stroms I dem Verlauf der vom Kurvengenerator 36 erzeugten Trapezspannung am nicht umkehrenden Eingang des Vergleichers 37 nachgeregelt, wobei • die Ausgangsspannung des Kurvengenerators 36 die Führungsgröße für den Strom I bildet.

Andererseits wird durch den Spannungsregler 13 dafür gesorgt, daß der Mittelwert der trapezförmigen Ausgangswechselspannung U den durch die Zener-Diode des Spannungsreglers 13 vorgegebenen Sollwert beibehält. Da der Kurvengenerator 36 ferner dafür sorgt, daß seine trapezförmige Ausgangsspannung den durch die Beschneidung bestimmten Maximalwert nicht überschreitet, so daß auch die Ausgangswechselspannung einen entsprechenden Maximalwert nicht überschreitet, ist eine Änderung des Mittelwerts der Ausgangswechselspannung U nur durch eine Änderung der Flankensteilheit der Trapezspannung des Kurvengenerators 36

und damit der Ausgangswechsel spannung U an den Ausgangsanschlüssen 2 möglich. Die Konstantregelung des Mittelwerts der Ausgangswechselspannung U wird daher durch eine entsprechende Änderung der Flankensteilheit bewirkt. Bei steigendem Strom I und demzufolge zunächst fallendem Mittelwert der Spannung U steigt die Ausgangsspannung des Vergleichers 30 und mithin nicht nur die Flankensteilheit der Trapezspannung des Kurvengenerators 36, sondern auch die Flankensteilheit des Stroms I und der Mittelwert der Ausgangsspannung U an. Eine Belastungszunahme bewirkt daher selbsttätig eine weitere Annäherung der Kurvenform des Stroms I an die Rechteckform.

Wenn der Ausgangsstrom I bis auf null abnimmt (Leerlauf) , erhöht sich auch die Ausgangsspannung des Vergleichers 37 und die Ausgangswechselspannung U zunächst entsprechend. Diesem Anstieg der Spannung U wirkt der Regler 13 durch Heruntersteuern des Sinus-Generators im Kurvengenerator 36 entgegen, wobei die Bemessungsverhältnisse so gewählt sind, daß sich nunmehr bei Eingangsspannung 0 am umkehrenden Eingang (-) des Vergleichers 37 ein stabiler Gleichgewichtszustand einstellt, wenn der Kurvengenerator 36 eine reine Sinusspannung abgibt, deren Spitzenwert gleich dem Maximalwert der trapezförmigen Ausgangsspannung des Kurvengenerators 36 bei Belastung (I Φ 0) ist. Die Ausgangswechselspannung U bei Leerlauf hat dann ebenfalls eine Sinusform mit einem Spitzenwert, der gleich ihrem Maximalwert bei Belastung ist.

Abwandlungen des dargestellten Ausfiihrungsbeispiels können beispielsweise darin bestehen, daß lediglich die Spannung einer Gleichspannungsquelle durch einen einfachen Wechselrichter in eine Wechselspannung

umgeformt wird, der· dann lediglich einen einfachen Ausgangstransormatt.it' 31, 83 mit Siebkreis 35 aufweist und nur durch die Elemente 13, 29 34 und 36 bis 39 gesteuert wird, während alle übrigen Elemente, einschliefSlich des Wechsel Stromgenerators 10, entfallen können. Auch diese Abwandlung stellt eine Wechselspannungsquelle dar, ohne daß der Wechselstromgenerator 10 vorhanden ist. Alternativ könnte die Gleichspannungsquelle beispielsweise auch durch einen netzgespeisten Gleichrichter oder einen Elektrolytkondensator gebildet sein.

Claims

Patentansprüche

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Stromversorgungsvorrichtung mit einer Wechselspannungsquelle für einen über einen Gleichrichter und einen Glättungskreis mit Glättungskondensator gespeisten Gleichstromverbraucher, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangswechselspannung (U) der Wechselspannungsquelle (N) bei Belastung wenigstens angenähert trapezförmig und ihre Flankensteilheit gleich oder größer als die einer Sinusspannung mit gleicher Maximalamplitude und Periodendauer wie die der Trapezspannung ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangswechselspannung (U) der Wechselspannungsquelle sich mit abnehmender Belastung der Sinusform nähert und im Leerlauf sinusförmig ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannungsquelle (N) eine Regeleinrichtung (13, 36, 37) aufweist, durch die der Mittelwert der Ausgangswechselspannung (U) der Wechselspannungsquelle (N), unter Beibehaltung eines konstanten Maximalwertes der

Amplitude der Ausgangswechselspannung (U), auf einen vorgegebenen Sollwert regelbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (13, 36, 37) einen den Mittelwert der Ausgangswechselspannung erfassenden Wechselspannungsregler (13) und einen Kurvengenerator (36) mit einem durch die Ausgangsspannung des Wechselspannungsreglers (13) in seiner Amplitude steuerbaren Sinusgenerator mit doppelseitiger Amplitudenbeschneidung aufweist und daß die Ausgangswechselspannung (U) der Wechselspannungsquelle (N), der Ausgangsspannung der Regeleinrichtung (13, 36, 37) nachgefUhrt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsspannung des Kurvengenerators (36) eine den Ausgangsstrom (I) der Wechselspannungsquelle (N) darstellende Strommeßspannung gegensinnig überlagert ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangswechselspannung (U) der Ausgangsspannung der Regeleinrichtung (13, 36, 37) über einen steuerbaren aus einer Gleichspannungsquelle (5) gespeisten Stromrichter (6) nachgefUhrt ist.
7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerimpulse für den Stromrichter (6) durch einen Vergleicher (38) mit Kippverhalten erzeugt werden, dem die Ausgangsspannung eines Dreieckgenerators (39) und die Ausgangsspannung der Regeleinrichtung (13, 36, 37) zugeführt werden, und daß der Dreiecks-

generator (39) mit dem Kurvengenerator (36) synchronisiert ist und eine um ein Vielfaches höhere Frequenz als dieser aufweist.
8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem nicht durch den Dreiecksgenerator (39) beaufschlagten Eingang (-) des Kippverhalten aufweisenden Vergleichers (38) ein Vergleicher (37) ohne Kippverhalten vorgeschaltet ist, dem die Ausgangsspannung des Kurvengenerators (36) und die Strommeßspannung zugeführt werden.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromrichter

(6) ein Umkehrstromrichter ist, der wechselspannungsseitig (3) an einen Wechselstromgenerator (10) anschaltbar ist, daß die Gleichspannungsquelle (5) ein elektrischer Energiespeicher, z.B. eine aufladbare Batterie oder ein Elektrolytkondensator, ist, daß ein Gleichspannungsregler (12) für die Gleichspannung der Gleichspannungsquelle vorgesehen ist, der die Gleichspannung durch Verschiebung der Phasenlage der Wechselspannung auf der Wechselspannungsseite (3) des Stromrichters (6) relativ zur Phasenlage der Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators (10) unter Phasenverschiebung der Steuerimpulse des Stromrichters (6) in Abhängigkeit von der Gleichspannung stabilisiert, und daß zwischen der Wechselspannungsseite (3) des Stromrichters (6) und den Wechselstromgeneratoranschlüssen (9) ein Strombegrenzungswiderstand (8) liegt.

-A-
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Strombegrenzungswiderstand durch einen Streufeld-Transformator (8) mit drei Wicklungen (31, 32, 33) gebildet ist, von denen die eine Wicklung (31) mit der Wechselspannungsseite (3) des Stromrichters (6) verbunden, die zweite Wicklung (32) mit den Wechselstromgeneratoranschlüssen (9) verbindbar und die dritte Wicklung (33) mit den Verbraucheranschlüssen (2) verbunden ist.