DE3545770C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Anordnung ist durch die US 37 61 797 bekannt.

Bei konventionellen Schaltungsanordnungen zur Erstellung einer varia­ bel einstellbaren, oberschwingungsfreien Gleichspannung aus einer Wechselspannung durch einen netzgeführten Stromrichter und einen diesem nachgeschalteten passiven Tiefpaßfilter, wie z. B. einer sol­ chen nach der FR-B-15 90 167, läßt sich eine hohe Regelgenauigkeit wegen des damit verbundenen hohen Filteraufwands grundsätzlich nur mit entsprechend geringer Regeldynamik erzielen und umgekehrt.

Z. B. bei einer Stromversorgung von Magneten für Teilchenbeschleuniger ist jedoch sowohl eine hohe Regeldynamik als auch eine hohe Regel­ genauigkeit der oberschwingungsfreien Verbraucherspannung nötig. Eine derartige Spannung ist in ihrem gewünschten zeitlichen Verlauf in Fig. 5 gezeigt. Die Änderung der Polarität soll dabei im Millisekundenbereich erfolgen.

In der EP-A1-01 34 505 ist eine diesen Anforderungen gerecht werdende digital geregelte Stromversorgung mit hohem Wirkungsgrad, hoher Zu­ verlässigkeit und guter Regeldynamik beschrieben, die aus mehreren Schaltverstärkerstufen besteht, deren Ausgangsspannungen gleiche Polarität besitzen. Die Stufen sind zur Summierung der Ausgangsspannungen über eine Diodenkaskade in Reihe geschaltet und können zur Regelung der so erzeugten Gleichspannung außerdem unabhängig voneinander ein- und ausgeschaltet werden. Die Ausgangsspannungen der Mehrzahl der Stufen sind gleich, die der übrigen Stufen sind binär gewichtet. Die Gleichspannung ist im gesamten Spannungsbereich regelbar. Die Genauigkeit bzw. die Dynamik der Regelung hängen dabei vom Quanti­ sierungsgrad der erzeugten Gleichspannung bzw. von der Abtastfre­ quenz ab, sie können jedoch hoch angesetzt werden. Allerdings ist der schaltungstechnische Aufwand sehr groß, und die Ansteuerung der Schaltverstärkerstufen auf hohem Potential ist in vielen Fällen nachteilig.

In der DE-A1-18 16 530 ist eine analoggeregelte Stromversorgung mit hohem Wirkungsgrad angegeben, die aus mehreren Verstärkerstufen besteht, deren Ausgangsspannungen ebenfalls die gleiche Polarität besitzen. Die Stufen sind zur Summierung der Ausgangsspannungen über eine Transistorkaskade in Reihe geschaltet. Zur Erzeugung der für die Stromversorgung benötigten Gleichspannung werden die Transistoren so gesteuert, daß mehrere direkt hintereinandergeschaltete Ver­ stärkerstufen (einschließlich der Stufe mit dem niedrigsten Potential) eingeschaltet werden, wobei zur Regelung der Spannung für die Stromversorgung der Transistor der Stufe mit dem jeweils höchsten Potential als Großsignalverstärker arbeitet, während die übrigen eingeschalteten Stufen mit jeweils durchgeschaltetem Transistor die maximale Ausgangsspannung abgeben. Auch hier stört der hohe schal­ tungstechnische Aufwand und in vielen Fällen die Ansteuerung der Transistoren auf hohem Potential.

Aus der eingangs genannten US 37 61 797, insbesondere Fig. 3, ist eine Stromversorgung bekannt, die einen gesteuerten Stromrichter und einen Aktivfilter aufweist. Dieser Aktivfilter besteht aus zwei Line­ arverstärkern, die über einen induktiven Übertrager mit dem Strom­ richter in Serie geschaltet sind. Dabei dient aber nur die eine Linearverstärkerstufe dazu, den "Rippel" (also den Wechselanteil) des vom Stromrichter erzeugten Gleichstroms "aktiv" zu kompensie­ ren, während die andere Linearverstärkerstufe lediglich eine gleich­ strombedingte Sättigung des Übertragers verhindern soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die mit geringem schaltungstechnischen Aufwand bei hoher Regelgenauigkeit und bei gleichzeitig hoher Regeldynamik eine oberschwingungsfreie Spannung wechselnder Polarität erzeugt, die außerdem sehr genau einer vorgegebenen Führungsgröße folgt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Vorteilhaft fällt bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung der schaltungstechnisch geringe Aufwand ins Gewicht. Anstelle mehrerer Schaltstufen wird ein einfacher Stromrichter eingesetzt. Dieser Strom­ richter liefert eine der Regeldynamik und der Regelgenauigkeit bei Stromversorgungsanlagen für Magnete bei Teilchenbeschleunigern ge­ nügende Ausgangsspannung u_d, die einen Gleichanteil _d und einen Wechselanteil u_∼ aufweist. Mit dem angegebenen Aktivfilter ist es auf eine einfache Weise möglich, den Wechselanteil u_∼ zu kompensieren. Dazu werden nur wenige Schaltstufen benötigt, zumal nur halb soviele Stufen mit umschaltbarer Ausgangsspannungspolarität erforderlich sind als Stufen mit nicht umschaltbarer Ausgangsspannungspolarität.

In den Schaltstufen mit induktiver Einkopplung werden Gleichspannungssignale mit wechselnder Polarität erzeugt, die in den Hauptstromkreis der Stromversorgung eingekoppelt werden, wo sie sich zu einer Wechselspannung u_G summieren. Je nachdem, ob die Verstärkerstufen als Schaltverstärker oder als Großsignalverstärker bzw. als Schaltverstärker in Reihe mit einem Linearverstärker arbeiten, wird die Spannung u_G entweder in quantisierter oder in analoger Form erzeugt. Die Spannung u_G entspricht dabei bis auf das Vorzeichen der im Stromrichter erzeugten und der Gleichspannung überlagerten Wechsel­ spannung u_∼ und hebt diese daher in ihrer Wirkung auf, wobei bei der quan­ tisierten Form der Spannung u_G grundsätzlich eine allerdings sehr kleine durch den Quantisierungsfehler hervorgerufene Abweichung des Istwerts der oberschwingungsfreien Gleichspannung vom Sollwert verbleibt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Erfolgt die Einkopplung der Ausgangssignale der Schaltstufen über einen induktiven Übertrager, ist die Ansteuerung der Verstärkerstufen auf niedrigem Potential gewährleistet. Eine direkte Einspeisung der Ausgangssignale der Schaltstufenverstärker hat zwar den Nachteil einer Ansteuerung auf hohem Potential, läßt aber eine höhere Regeldynamik zu.

Ist der Aktivfilter rückspeisefähig, ist eine Rückspeisung der Energie bei einer Spannungsumkehr am Verbraucher über den Stromrichter und den Filter möglich.

Den hier angeführten und im folgenden näher erläuterten Anordnungen zur Erzeugung einer Wechselspannung u_G sind Anordnungen äquivalent, die eine Gleichspannung u_G erzeugen. Der zeitliche Verlauf der Spannung u_G ist in jedem Fall so gewählt, daß die Summe aus den Spannungen u_d, u_∼ und u_G eine geregelte Gleichspannung _d2 ergibt, die entweder höher ist als die Spannung u_d (bei gleicher Polarität der Spannungen u_d und u_G) oder niedriger (bei entgegengesetzter Polarität der Spannungen u_d und u_G).

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen

Fig. 1 den Leistungsteil einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Reihenschaltung eines netzgeführten Stromrichters und eines Schaltstufenverstärkers,

Fig. 2 den Leistungsteil einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines in Reihe geschalteten Schaltstufenverstärkers mit Stufen gleicher Ausgangsspannung,

Fig. 3 den Leistungsteil einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung eines in Reihe geschalteten Schaltstufenverstärkers mit Stufen mit binär gewichteten Ausgangsspannungen,

Fig. 4 den Leistungsteil einer vorteilhaften Ausgestaltung eines direkt mit dem Stromrichter in Reihe geschalteten Schaltstufenverstärkers und

Fig. 5 den zeitlichen Verlauf der Verbraucherspannung.

Fig. 1 zeigt den Leistungsteil einer erfindungsgemäßen Stromversorgung, die aus einer Reihenschaltung eines konventionell netzgeführten Stromrichters 1 und eines Schaltstufenverstärkers 2A besteht. Die Anordnung ist über Verbindungsleitungen 4-6 mit einer Last 8 verbunden, die z. B. aus einem ohmschen Widerstand 81 und einer Induktivität 82 gebildet ist.

Der Stromrichter 1 besteht in bekannter Weise aus dreiphasigen Netztransformatoren 11, 12, zwei gesteuerten Dreiphasen-Brückenschaltungen 21, 22 und einem nachgeschalteten Tiefpaßfilter aus Drosselspulen 31, 32 und einem Kondensator 33.

Der als Aktivfilter wirkende Schaltstufenverstärker 2A besteht aus mehreren induktiven Übertragern mit mehreren in Reihe geschalteten Sekundärwicklungen 41 . . . 47 und Primärwicklungen 51, 52, . . . 57, an die jeweils eine Verstärkerstufe 61, 62 . . . 67 angeschlossen ist. Die Verstärkerstufen 61, 62 . . . 67 sind jeweils aus vier gesteuerten Stromrichterventilen 611-614, 621-624, . . . 671-674 und vier Dioden 615-618, 625-628, . . . 675-678 gebildet. Eingangsseitig sind die Verstärkerstufen jeweils an eine Gleichspannungsquelle 71, 72, . . . 77 angeschlossen.

Der Stromrichter 1 erzeugt eine Gleichspannung u_d mit einem Gleichanteil _d, dem eine Wechselspannung u_∼ überlagert ist.

Zum Ausgleich der Wechselspannung u_∼ erzeugen die Verstärkerstufen 61, 62, . . . 67 Gleichspannungssignale wechselnder Polarität u₁, u₂, . . . u₇, die über die induktiven Übertrager galvanisch getrennt in den Hauptstromkreis der Stromversorgung eingespeist werden und sich dort zu einer Wechselspannung u_G summieren, die je nach Betriebsart der Verstärkerstufen entweder quantisiert oder analog ist.

Die Spannung u_G entspricht dabei bis auf das Vorzeichen der Wechselspannung u_∼ und hebt diese daher in ihrer Wirkung auf, sofern nicht ein allerdings sehr geringer Fehler infolge der Quantisierung durch die Schaltstufen verbleibt. Die Zahl bzw. die Kombination der eingeschalteten Stufen sowie das Vorzeichen ihrer Ausgangsspannungen hängen dabei vom Momentanwert der Spannung u∼ ab. Ist die Spannung u_G quantisiert, verbleibt grundsätzlich eine durch den Quantisierungsfehler hervorgerufene geringe Abweichung des Istwerts der Spannung _{d 2} vom Sollwert. Um den Quantisierungsfehler infolge der endlichen Zahl der Schaltstufen 61. . .67 auszugleichen, liefert ein in Fig. 1 nicht gezeigter, an sich bekannter, ebenfalls in Reihe mit den Schaltstufenverstärkern geschalteter Linearverstärker Ausgangssignale u_V, die der Spannung u_G zugefügt werden, so daß schließlich die oberschwingungsfreie gewünschte Spannung _{d 2} erstellt wird.

Die Verstärkerstufen können wahlweise als Schaltverstärker, Linearverstärker oder als Großsignalverstärker betrieben werden. Dabei ergibt sich beispielsweise für die Verstärkerstufe 61, die stellvertretend für die übrigen Stufen genannt sei:
u₁ = 0, wenn alle vier Stromrichterventile 611-614 sperren u₁≦λτ0, wenn die Stromrichterventile 611, 612 leiten und 613, 614 sperren u₁≦ωτ0, wenn die Stromrichterventile 613, 614 leiten und 611, 612 sperren.

Es gelten dabei folgende Randbedingungen:
u₁(t) = 0, +û₁, -û₁ für den Schaltverstärkerbetrieb
-û₁≦ωτu₁(t)≦ωτû₁ für den Linearverstärkerbetrieb
-û₁u₁(t)u₁ für den Großsignalverstärkerbetrieb.

Die Dioden 615-618 leiten den Ausgangsstrom i₁ der Verstärkerstufe 61 in den Zeiten ab, in denen die Spannung u₁ und der Strom i₁ unterschiedliche Vorzeichen haben, und zwar die Dioden 615, 616 für den Fall u₁≦λτ0, i₁≦ωτ0 und die Dioden 617, 618 für den Fall u₁≦ωτ0, i₁≦λτ0.

Fig. 2 zeigt den Leistungsteil einer weiteren Ausführungsform 2B entsprechend dem Schaltstufenverstärker 2A der Fig. 1. Der Unterschied zwischen den beiden Ausführungsformen besteht darin, daß zum einen die Sekundärwicklungen 41, 42 . . . 47 des Schaltstufenverstärkers 2A nach der Fig. 1 durch eine gemeinsame Wicklung 40 im Schaltstufenverstärker 2B zusammengefaßt worden sind und daß zum anderen im Schaltstufenverstärker 2B die Eingänge der Verstärkerstufen parallel an eine gemeinsame Gleichspannungsquelle 70 angeschlossen sind. Der Ausgangsspannungsbereich ist in diesem Falle mit -ûu₁, u₂ . . . u₇û für alle Stufen gleich.

Fig. 3 zeigt den Leistungsteil einer weiteren Ausgestaltungsform 2C entsprechend dem Schaltstufenverstärker 2A der Fig. 1. Der Unterschied zwischen diesen beiden Ausführungsformen besteht darin, daß die Versorgungsgleichspannungsquellen 71, 72, 73 der Verstärkerstufen 61, 62, 63 im Schaltstufenverstärker 2C binär gewichtet sind und damit auch die maximalen Ausgangsspannungen û₁, û₂, û₃ der Verstärkerstufen.

In Fig. 4 ist eine Schaltungsanordnung für einen gleichspannungsseitig mit dem (nicht gezeigten) Stromrichter 1 in Reihe geschalteten als Aktivfilter wirkenden Schaltstufenverstärker 2D gezeigt. Bei diesem sind die einzelnen Schaltstufen 61, 62 . . . 67 ausgangsseitig direkt in Reihe in den Gleichstromkreis des Stromrichters 1 gelegt. Die Ausgänge der einzelnen Schaltstufen 61, 62 . . . 67, die hier aus einer Gleichspannungsquelle 71, 72 . . . 77 mit nachgeschaltetem Schaltelement 619, 629 . . . 679 aufgebaut sind, werden dabei für den Fall, daß das jeweilige Schaltelement nicht eingeschaltet ist, durch Dioden 91, 92 . . . 97 überbrückt.

Weiterhin können z. B. die Ausführungsformen 2A und 2C bzw. 2B und 2C der erfindungsgemäßen Schaltstufenverstärker miteinander kombiniert werden, wobei die Versorgungsspannungen der Stufen im Schaltstufenverstärker 2C sinnvollerweise U/2, U/4, U/8 . . . betragen (U ist die gemeinsame Versorgungsspannung der Stufen im Schaltstufenverstärker 2B).

Allgemein kann zur Verbesserung der Regelgenauigkeit a) die Stufe mit der kleinsten Ausgangsspannung als Linear- oder Großsignalverstärker oder b) jede Stufe als Großsignalverstärker betrieben werden.

Statt der Linearverstärkerstufe kann mit gleicher Wirkung auch ein Chopper eingesetzt werden.

Claims (12)

1. Schaltungsanordnung zur Erstellung einer variabel einstellbaren, oberschwingungsfreien Gleichspannung aus einer Wechselspannung durch einen gesteuerten Stromrichter und einem diesem nachgeschalteten Filter, welcher als gleichspannungsseitig dem Stromrichter in Serie geschalteter Aktivfilter ausgebildet ist, der eine oder mehrere in Serie geschaltete Linearverstärkerstufen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktivfilter zusätzlich mindestens einen Schaltstufenver­ stärker (2A, 2B, 2C, 2D) mit mehreren unabhängig voneinander an­ steuerbaren Schaltstufen (61 . . . 67) enthält.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltstufen (61 . . . 67) über einen induktiven Übertrager (41, 51; 42, 52 . . . 47, 57) mit dem Stromrichter (1) in Serie geschaltet sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertrager stromrichterseitig eine gemeinsame Wicklung (40) aufweisen.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltstufen (61 . . . 67) der Schaltstufenverstärker (2A, 2B, 2C, 2D) ausgangsseitig direkt miteinander in Reihe geschaltet und jeweils mit einer in Stromflußrichtung gepolten Diode (91 . . . 97) überbrückt sind.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der Schaltstufenverstärker (2A, 2B, 2C, 2D) bipolar ausgebildet sind und eine quantisiert oder analog verlaufende Kurvenform aufweisen.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der Schaltstufenverstärker (2A, 2B, 2C, 2D) unipolar mit gleichem oder mit entgegengesetztem Vorzeichen zu den Ausgangssignalen oder analog verlaufende Kurvenform aufweisen.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltstufen (61 . . . 67) eines Schaltstufenverstärkers (2A, 2B, 2C, 2D) unabhängig voneinander ein-, aus- und in ihrer Ausgangspolarität umschaltbar sind.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schaltstufen (61 . . . 67) in ihrer Versorgungsspannung gleich oder binär gewichtet sind.

9. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl der Schaltstufen (61 . . . 67) in ihrer Versorgungsspannung gleich und die übrigen Schaltstufen (61 . . . 67) binär gewichtet sind.

10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltstufen (61 . . . 67) mit gleichgewichteter Versorgungsspannung an eine gemeinsame Gleichspannungsquelle angeschlossen sind.

11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktivfilter rückspeisefähig ist.

12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearverstärkerstufen durch Chopper ersetzt werden.