DE3438921C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Stromversorgung nach dem Oberbe
griff des Anspruchs 1. Eine derartige Stromversorgung ist aus der
DE-OS 27 10 331 bekannt.
In bestimmten Anwendungsbereichen, z. B. zur Speisung von Mag
neten eines Teilchenbeschleunigers mit trapezförmig verlau
fenden Wechselströmen sind Hochstromnetzgeräte erforderlich
deren Netzstrom einem vorbestimmten Verlauf einer Führungs
größe folgen kann.
Bekannt sind Stromnetzgeräte nach Fig. 1 mit Transistoren in
Brückenschaltung 1, 2, 3, 4, die mit der maximalen Frequenz
von ca. 50 Hz der Trapezstromkurvenform geschaltet werden,
denen für die Regelung der Konstantstromabschnitte in Reihe
ein weiteres Transistorstellglied als Längsregler 6 vorge
schaltet ist. Während der Konstantstromabschnitte sind je nach
Laststrompolarität die jeweils benötigten Transistorpaare 1, 4
oder 3, 2 leitend und der Längsregler 6 wird getaktet. Hierbei
handelt es sich um einen internen Stand der Technik bei der
Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt.
Die Nachteile der bekannten Stromversorgung bestehen insbeson
dere darin, daß der Längsregler 6 ständig den vollen Laststrom
69 führen und die dadurch dort entstehende Wärme mit einem be
trächtlichen Aufwand abgeführt werden muß. Hinzu kommt die
Verlustleistung der zwei dem Längsregler in Reihe geschalteten
Stellglieder 1 und 4 bzw. 2 und 3. Bedingt durch die verschie
denen Aufgaben der Stellglieder 1, 2, 3, 4 und des Langsreg
lers 6 ist eine aufwendige Regelelektronik nötig. Für kurz
schlußfeste Geräte ist ein Schutzkonzept für den Längsregler 6
erforderlich. Noch aufwendiger ist die Schaltung, wenn der
Laststrom 69 auch während der Stromrampen geregelt wird, weil
die Verlustleistung des Längsreglers 6 dann noch größer ist.
In der DE-OS 27 10 331 ist ein transistorisierter Zerhacker mit
einem Leistungsteil in Brückenschaltung beschrieben. Ein Pi
lotsignal schafft die Voraussetzung, daß je nach Polarität die
entsprechenden zwei Transistoren leiten. Diese Voraussetzung
ist hinreichend für den jeweils oberen Transistor. Der untere
Transistor benötigt als weitere notwendige Voraussetzung noch
den Soll-Ist-Wert-Vergleich und die Maximalstromunterschrei
tung. Das heißt immer der untere Transistor wird während der lei
tenden Phase des oberen je nach Ist-Wert leiten oder sperren,
also takten. Die Maximalwertermittlung des Laststromes ge
schieht an einem Widerstand, der, in Reihe zu der Brücke lie
gend, bis auf die Intervalle der gesperrten Zustände der unte
ren Transistoren Verlustleistung proportional zum Laststrom-
Quadrat erzeugt. Ist dieser Widerstand wegen großem Laststrom
zu meiden, sind die Steuermittel so nicht mehr einsetzbar.
Ebenfalls bekannt sind Taktregler, die allerdings mit einer
festen Taktfrequenz und variabler Pulsbreite arbeiten oder bei
fester Frequenz und fester Impulsbreite lediglich nach Lastbe
darf freigegeben werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromversorgung
für Teilchenbeschleunigermagnete, mit der man beliebige zeit
liche Stromverläufe innerhalb eines um einen Sollwert vorge
gebenen Toleranzbandes fahren kann, verlustarm zu steuern und
zu regeln.
Diese Aufgabe wird mit einer Stromversorgung, die eine Regel
einrichtung und eine logische Schaltungsanordnung mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 aufweist, gelöst.
Die Unteransprüche 2 bis 4 beschreiben Bauelemente der Regel
einrichtung und Schaltungsanordnungen, die hier vorteilhafte
Eigenschaften aufweisen. Im Unteranspruch 5 ist der Einsatz
einer zweiten Gleichstromquelle gekennzeichnet, mit der ein
steilerer Laststromanstieg durchgeführt werden kann. Das Kenn
zeichen des Anspruch 6 führt eine allen Stellgliedern gleiche
Beschaltung wie eine Ansteuer- und Überwachungseinheit und
eine Bedämpfungsschaltung an. In den Ansprüchen 7 und 8 sind
notwendige Einrichtungen im Leistungsteil der Stromversorgung
aufgeführt, falls einerseits die Brücke zwei Gleich
stromversorgungen hat und andererseits die Taktfrequenz der
unteren beiden Stellglieder begrenzt sein muß.
Anspruch 9 schließlich betrifft eine Erweiterung der Brücken
schaltung zu einer sogenannten Drehstrombrückenschaltung, wie
sie für frequenzvariable Drehstromantriebe Anwendung findet.
Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und
wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Stromversorgung in Brückenschaltung mit Längs
regler,
Fig. 2 eine Stromversorgung in Brückenschaltung und zwei
Gleichspannungsversorgungen, bei der die beiden unteren Stell
glieder je nach Laststrompolarität getaktet werden,
Fig. 3 Regeleinrichtung und logische Schaltungsanordnung für
die Stromversorgung nach Fig. 2.
Fig. 1 zeigt eine aus dem internen Stand der Technik bekannte Strom
versorgung in Brückenschaltung mit Längsregler 6. Für einen
positiven Laststromverlauf sind grundsätzlich die Stellglieder
1 und 4 im leitenden Zustand während das Stellglied 6 entspre
chend Sollwertvergabe taktet. Ist während des Taktens das
Stellglied 6 im sperrenden Zustand, dann nimmt der Laststrom
zwei mögliche Freilaufwege. Das ist einmal Last-Diode 9 -
Stellglied 1 und zum anderen Last-Stellglied 4 - Diode 8. Die
Stellglieder 3, 2 sperren ständig während des positiven Last
stromes.
Bei negativem Laststrom sperren die Stellglieder 1, 4 ständig.
Der Längsregler 6 taktet nach wie vor und die Freilaufwege
sind Last-Diode 7 - Stellglied 3 und Last-Stellglied 2 - Diode
10. Die hauptsächliche Verlustleistung hat also der Längsreg
ier 6 zu tragen; er ist für beide Laststromrichtungen ständig
beansprucht.
Fig. 2 zeigt eine Stromversorgung in Brückenschaltung, die
von zwei Gleichstromquellen gespeist werden kann. Beide haben
eine Strom- und Spannungsglättungseinrichtung. Die obere die
Drossel 76 und den Kondensator 14 und zusätzlich das Stell
glied 5 mit Beschaltung 25, 89. Die untere ebenfalls eine
Drossel 14 und einen Kondensator 13. Die Diode 12 ist nur bei
Einsatz der oberen Gleichstromquelle notwendig. Die taktenden
Stellglieder sind die Transistoren 2, 4.
Die Stellgliederzustände während einer bipolaren, trapezförmi
gen Sollwertvergabe, wie bei Beschleunigermagneten üblich,
werden nun erläutert, zunächst ohne Einsatz der oberen
Gleichstromquelle 26 und damit auch ohne Diode 12.
Für den positiven Anstieg bleiben die Stellglieder 3, 2 ständig
gesperrt. Das Stellglied 1 ist ständig leitend und Transistor
4 wird je nach Stromanstiegsgeschwindigkeit, bestimmt durch
die Last 17, 18, mehr oder weniger schnell getaktet, wobei im
Falle des notwendigen Laststromfreilaufes für den sperrenden
Transistor der Weg Last-Diode 9 - Transistor 1 ist. Im Extrem
fall für einen sehr raschen Laststromanstieg bleibt das Stell
glied 4 bis zum Erreichen des Plateaus leitend und beginnt
erst im Plateaubereich zu takten, und zwar mit einer Frequenz,
die abhängig von der Laststromhöhe ist.
Das Herunterfahren des Laststromes erfolgt im sanften Fall
über das Takten des Stellgliedes 4 entsprechend dem Plateau.
Für einen schnellen Abfall des Laststromes 69 sperren beide
Stellglieder 1, 4, und ein Freilauf des Laststromes 69 erfolgt
über Diode 9 - Kondensator 13 - Diode 8 - Last. Diode 12 exi
stiert zunächst noch nicht.
Ein trapezförmig negativer Laststromverlauf ist entsprechend
dem oben Gesagten, nur daß hierbei die Stellglieder 1, 4 stän
dig im sperrenden Zustand sind und die Stellglieder 3, 2 jetzt
die Laststromführung übernehmen, wobei wiederum Transistor 2
taktet. Die Freilaufwege für den negativen Laststrom 69 sind
entsprechend.
Die Taktfrequenz der taktenden Stellglieder 2 oder 4 während
der Regelung setzt sich zusammen aus einem Stromanstiegsinter
vall, dann leitet Transistor 2 oder 4, und einem Stromab
stiegsintervall, dann sperrt Transistor 2 oder 4. Es ist klar,
daß die Intervalle variabel sind, da sie vom Betrag der Last
stromhöhe abhängen. Damit ist die Taktfrequenz aber auch va
riabel. Plausibel ist, daß im Falle gleicher Sperr- und Lei
tintervalle die Taktfrequenz am höchsten ist.
Im Falle eines bipolaren trapezförmigen Laststromverlaufes mit
möglichst raschem Stromanstieg ist die zweite Gleichstrom
quelle 26 notwendig. Der Laststromanstieg wird bestimmt durch
die Last 17, 18 und die treibende Spannung der Gleichstrom
quelle 26, sofern diese höher ist als die untere. Die obere
Gleichstromquelle ist nur für die ansteigende und abfallende
Flanke des trapezförmigen Laststromverlaufes wichtig. Für den
schnellsten positiven Anstieg sind die Stellglieder 5, 1, 4 lei
tend. Für den raschesten Abfall im positiven Bereich sperren
diese und der Freilauf erfolgt über Diode 9 - Diode 11 - Kon
densator 14 - Diode 8. Im Plateaubereich des Laststromes wird
die Gleichstromquelle 26 von der Brücke durch den sperrenden
Transistor 5 abgetrennt und das Takten von Transistor 2 oder 4
erfolgt, wie schon geschildert.
Für trapezförmig negative Laststromverläufe gilt das oben Ge
sagte entsprechend. Hierbei sperren dann die Stellglieder 1, 4.
Die Verlustleistung an den Stellgliedern 1, 2, 3, 4, 5 in Fig. 2
teilt sich entsprechend des Laststromverlaufes auf. Dabei ha
ben die üblicherweise taktenden Stellglieder 2, 4 den Hauptan
teil zu tragen, jedoch beide nur abschnittsweise und nicht
ständig wie der Längsregler in Fig. 1.
In Fig. 3 ist die Regeleinrichtung und die logische Schal
tungsanordnung zum sicheren Betreiben der Stromversorgung nach
Fig. 2 dargestellt. Sie wird im Folgenden beschrieben.
Mit einem Steilheitsbegrenzer 31 wird die obere Grenzfrequenz
der Führungsgröße 20 auf die vom Leistungsteil (Fig. 2) des
Gerätes zulässigen Maximalwerte begrenzt, die bestimmt sind
durch die Wahl der Stellglieder 1, 2, 3, 4, 5, der Größe der
Spannungen an den Kondensatoren 13, 14 und der Lastimpedanz
17, 18. Die Führungsgröße 20 am Ausgang des Steilheitsbegren
zers 31 wird an der Vergleichsstelle 15 mit der Regelgröße 19
verglichen und die Regelabweichung 78 in einem Regelverstärker
32 verstärkt, dessen Ausgang auf den Eingang 80 eines elektro
nischen Polaritätsschalters 33 geschaltet ist. Der Polaritäts
schalter 33 bewertet die Polarität der Regelabweichung 78 ab
hängig von der Polarität des Laststromes 69. Dadurch braucht
man die Schaltungseinheit des Analog-Puls-Umsetzers 68 und der
Speicher 79 für die bipolare Ausführung des Gerätes nur ein
mal.
Zwischen dem Ausgang 81 des Steilheitsbegrenzers 31 und dem
Steuereingang 82 des Polaritätsschalters 33 ist ein durch das
Signal am Ausgang eines Nulldetektors 41 steuerbarer Polari
tätsdetektor 42 geschaltet, der eine Sprungfunktion bei Pola
ritätswechsel der Führungsgröße 20 solange verzögert bis der
Nulldurchgang der Regelgröße 19 als Spannungssprung am Ausgang
83 des Nulldetektors 41 ansteht. Damit wird ein durch den Po
laritätsschalter 33 vorzeitiges Umschalten der Polarität des
Laststromes 69 verhindert.
Der Ausgang des Polaritätsschalters 33 mit der bewerteten ver
stärkten Regelabweichung 80 ist auf den Eingang eines Analog-
Puls-Umsetzers 68 geschaltet, in dem die verstärkte Regelab
weichung 80 mit vorbestimmten Referenzspannungen 64, 65, 66,
67 von vier Komparatoren 34, 35, 36, 37 verglichen wird. Die
Wahl der Referenzspannungen 64, 65, 66, 67 bestimmt zusammen
mit der Vrstärkung des Regelverstärkers 32 die Regelgenauig
keit (Toleranzband). Die Anzahl der Komparatoren 34, 35, 36,
37 des Analog-Puls-Umsetzers 68 entspricht der Anzahl der ge
wünschten Schaltzustände im Leistungsteil, wie anhand der Fig.
2 beschrieben:
Der erste Komparator 34: Gegenspannung nur über Freilaufdiode
z. B. 8 und 9 bei gesperrten Transistoren, zweiter Komparator
35: Freilauf über einen Transistor und eine Freilaufdiode z. B.
1 und 9, dritter Komparator 36: Normalbetreiben über die Tran
sistoren 1 und 4 oder 3 und 2, vierter Komparator 37: Schnell
treiben über den zusätzlichen Transistor 5.
Die Referenzspannungen 64 und 65 sind positiv, die Referenz
spannungen 66 und 67 sind negativ vorgegeben, wobei die Be
träge der Referenzspannungen 64 und 67 bzw. 65 und 66 gleich
groß sind und die Beträge der Referenzspannungen 64 bzw. 67
größer sind (ca. doppelt so groß) als die Beträge der Refe
renzspannungen 65 bzw. 66. Die Ausgangssignale 72, 73, 74, 75
der vier Komparatoren 34, 35, 36, 37 werden miteinander ver
knüpft in drei Speichern so umgestzt, daß sich der Spei
cherausgang nicht ändert, wenn die Regelabweichung 78 zwischen
zwei benachbarten Referenzspannungen verläuft.
Jeder der drei Speicher 38, 39, 40 ist ein aus NOR-Gliedern
verknüpftes dominierend löschendes RS-Flipflop, dessen Eingän
gen je ein UND-Glied vorgeschaltet ist und jeder Ausgang des
Flipflops in einer Rückführschaltung auf einen der beiden Ein
gänge des dem eigenen Eingang vorgeschalteten UND-Gliedes ein
Zeitglied 51 bis 56 aufweist.
Die Zeitglieder 51 bis 56 sind notwendig, um die Wirksamkeit
der jedem Stellglied 1, 2, 3, 4, 5 zugeordneten Überwachungs
schaltung 21 bis 25 zu sichern und Fehlschaltungen, die zu
Überlastung der Stellglieder 1, 2, 3, 4, 5 führen, zu vermei
den.
Der Ausgang 72 des ersten Komparators 34 ist auf den anderen
Eingang 72 des den Löscheingang des ersten Speichers 38 vorge
schalteten UND-Gliedes geschaltet.
Der Ausgang 73 des zweiten Komparators 35 ist über einen Ne
gato 57 auf den anderen Eingang des dem Setzeingang des ersten
Speichers 38 vorgeschalteten UND-Gliedes geschaltet.
Der Ausgang 73 des zweiten Kompartors 35 ist auf den anderen
Eingang des dem Löscheingang des zweiten Speichers vorgeschal
teten UND-Gliedes geschaltet.
Der Ausgang 74 des dritten Komparators 36 ist über einen Ne
gato 58 auf den anderen Eingang des dem Setzeingang des zwei
ten Speichers 39 vorgeschalteten UND-Gliedes geschaltet.
Der Ausgang 74 des dritten Komparators 36 ist auf den anderen
Eingang des dem Löscheingang des dritten Speichers 40 vorge
schalteten UND-Gliedes geschaltet.
Die drei Speicherausgänge 76, 77, 78 mit jeweils unterschied
lichen Pulssequenzen sind auf drei Eingänge einer Logikeinheit
44 geschaltet und in dieser zusammen mit zwei die Stromrich
tung des Laststromes 69 bestimmenden Ausgängen 70, 71 einer
Kippschaltung 43 zu den Ansteuersignalen 84 bis 88 für die
Stellglieder 1 bis 5 verknüpft. Dadurch wird erreicht, daß ab
hängig von der Stromrichtung 69 immer die richtigen Stellglie
der 1 bis 5 geschaltet werden. Außerdem beinhaltet die Lo
gikeinheit 44 eine Sicherheitsschaltung, die die gleichzeitige
Vorgabe beider Strompolaritäten selbst im Falle von Bau
teildefekten verhindert. Die Impulssperre 50 gestattet es, ge
zielt von außen durch die Ablaufsteuerung und die Überwachung
der Stromversorgung die Ansteuerung der Stellglieder 1 bis 5
freizugeben oder zu blockieren.
Die fünf Ausgänge der logischen Schaltungsanordnung 44 mit den Ansteuersignalen
84 bis 88 sind über Impulsverstärker 45 bis 49 mit den Eingän
gen der Ansteuer- und Überwachungs-Elektronik 21 bis 25 der
Stellglieder 1 bis 5 verbunden, die zur Potentialtrennung Op
tokoppler 59 bis 63 enthalten.
Die Kippschaltung 43 besteht aus zwei Zeitgliedern, die vom
Ausgang des Polaritätsdetektors 42 angesteuert werden. Die
Kippschaltung 43 gewährleistet, daß der Übergang von der alten
Strompolarität zur neuen so vonstatten geht, daß die alte
Strompolarität sofort gesperrt und die neue Strompolarität
verzögert freigegeben wird.
Die Impulsverstärker 45 bis 49 verstärken die Ansteuersignale
84 bis 88 für die Stellglieder 1 bis 5. Damit können die Opto
koppler 59 bis 63 auf den Platinen der Ansteuer- und Überwa
chungs-Elektonik 21 bis 25 störsicher angesteuert werden.
Claims (9)
1. Stromversorgung in Brückenschaltung mit mindestens einer
Gleichstromquelle zur Erzeugung eines vorgebbaren Last
stromverlaufes mit einer Regeleinrichtung zur Nachführung
des Laststromes innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbandes
um einen Sollwert und mit einer logischen Schal
tungsanordnung zur Herbeiführung fehlerfreier und zerstö
rungsfreier Schaltzustände der Brückenstellglieder, dadurch
gekennzeichnet, daß
- - zwischen dem Ausgang eines Regelverstärkers (32) der Re geleinrichtung und einem eine bipolare Spannung verar beitenden Analog-Puls-Umsetzer (68) zur Festlegung der Polarität des Laststromes (69) ein Polaritätsumschalter (33) geschaltet ist,
- - als Voraussetzung zum zeitgerechten Umschalten der Pola rität des Laststromes (69) auf den Steuereingang (82) des Polaritätsumschalters (33) ein Polaritätsdetektor (42) mit der Eigenschaft wirkt, ein erstes Rechtecksig nal bei Polaritätswechsel der Führungsgröße (20) so lange zu speichern, bis ein bei Nulldurchgang der Regel größe (19) vom Nullspannungsschalter (41) erzeugtes zweites Rechtecksignal anliegt,
- - der Ausgang des Polaritätsdetektors (42) auf den Eingang einer Kippschaltung (43) geschaltet ist, deren Ausgangs signale (70, 71) der logischen Schaltungsanordnung (44) zugeführt sind,
- - zwischen den Ausgängen (72, 73, 74) des Analog-Puls-Um setzers (68) und den Eingängen (76, 77, 78) der logischen Schaltungsanordnung (44) je ein Speicher (38, 39, 40) mit je zwei Zeitgliedern (51, 52; 53, 54; 55, 56) in Rückführungs schaltung besteht.
2. Stromversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Regeleinrichtung einen diskontinuierlichen Tastreg
ler (16) aufweist, bei dem die Pulsbreite als auch der
Pulsabstand laststromabhängig sind.
3. Stromversorgung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Steilheitsbegrenzer (31) die Führungsgröße (20) in
ihrem Anstieg beschneidet und die obere Grenzfrequenz der
jede beliebige unipolare oder bipolare Kurvenform aufwei
senden Führungsgröße (20) an die von den verwendeten Stell
gliedern (1, 2, 3, 4,) und der Lastimpedanz (17) bestimmte
maximale Schaltgeschwindigkeit der Leistungsstufe anpaßt.
4. Stromversorgung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß in der Regeleinrichtung Bauelemente (64, 65, 66, 67)
vorhanden sind, mit denen das Toleranzband des Laststromes
(69), innerhalb dessen die Regelgröße (19) der Führungs
größe (20) folgt, eingestellt wird.
5. Stromversorgung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß für einen steileren Laststromanstieg eine weitere
Gleichstromquelle (26) mit entsprechend hoher Quellenspan
nung über ein taktbares Stellglied (5) an die Brückenschal
tung angeschlossen ist.
6. Stromversorgung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß an jedem Stellglied (1, 2, 3, 4) der Brückenschaltung
und dem Stellglied (5) für das Anlegen der weiteren Gleich
stromquelle (26) eine eigene Ansteuer- und Überwachungs
schaltung (21, 22, 23, 24, 25) sowie eine Bedämpfungsschal
tung (27, 28, 29, 30, 89) angebracht ist.
7. Stromversorgung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Diode (12) im Strompfad von der ersten Gleichspan
nungsquelle zur Brückenschaltung einen Rückstrom in den
Kondensator (13) unterbindet.
8. Stromversorgung nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Last eine Reihenschaltung aus Induktivi
tät und ohmschen Widerstand ist, wodurch die Taktfrequenz
für die Stellglieder begrenzt wird.
9. Stromversorgung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß durch Parallelschalten zweier weiterer in Reihe ge
schalteter Stellglieder zu der Brückenschaltung und der
entsprechenden Erweiterung der Steuer- und Regeleinrichtung
die Brückenschaltung zu einer Drehstrombrückenschaltung er
weiterbar ist.
Priority Applications (2)
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1984
- 1984-10-24 DE DE19843438921 patent/DE3438921A1/de active Granted
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FR2572231A1 (fr) | 1986-04-25 |
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