DE1961705C3 - Schaltungsanordnung zur Regelung der Ausgangsspannung eines Gleichspannungsumrichters oder Wechselrichters - Google Patents

Description

Die Erlindung bezieht sich auf eine Schallungsandnung zur Kegelung der Ausgangsspannimg eines ■η einem Taktgeber gesteuerten Cileichspaniumgs-IUichters oder Wechselrichters in Trunsistor-Gentaklschaltung miliels lmpulsbreilensteuerung der halllransistoren des Umrichters oder Wechsel-.■liters, enthaltend eine Einrichtung zum Vergleich Her periodisch ansteigenden Spannung mit einer -vugsgleichspannung, deren Größe von Anderunuen der Ausuangsspannung gesteuert ist und zur Ableitunu von "hreitenmodulierten Steuerimpulsen aus diesem Vergleich, wobei eine Einrichtung zur Störgrößenaufschaltung der Eingangsspannung in der Weise vorgesehen ist, daß sie Änderungen der Eingangsspannung in eine gegenläufige Änderung der Impulsbreiten umsetzt.

Eine derartig Schaltungsanordnung ist bereits bek-innt (US-PS"29⁽>l 410). Der bekannte Gegentakt-GleichspaniHingswandler ist als Zusatzstromkreis zur Stabilisierung "einer natteriespannung vorgesehen. Der Ausgang des Gleichspannungswandlers ist hier mit der eigenen Versorgungsbatterie in Reihe geschaltet Zusätzlich zur Regelung der Ausgangsspaniiiiim die aus der Batieriespannung und einer Zus-uzspaniuing des Gleichspannungswandlers besteht, erfolgt eine Störgrößenaufschaltung mit der Ein-L.an-sspannimg (Batieriespaunuug. Das in einer Reuelschaltung durch Vergleich einer Sägezahnspannunu mit der verstärkten Regelabweichung erzeugte Steuersignal beeinllußt die Impulsbreite der Aus- «anBMiiipulsc eines Taktgebers in einer Verzögerungsstufe Die Störgrößenaufschaltung mit der Emgaimsspanmum (Batteriespannung) erfolgt nach Vergleich der ßaueriespannung mit einer konstanten Bczimsspannimg über eine Verstärkerstufe, die die Impulsbreite der Steuerimpulse in der Verzögerungsstufe beeinllußt. Durch Tempcralurgang und Altertum des Verstärkers entstehende Inkonstanzen haben"/ur Folge, daß die Kompensation nur in einem kleinen Spannungsbereich zufriedenstellend ist.

Es ist auch bereits eine Schaltungsanordnung mit einem Wechselrichter bekannt, bei der im Stcuerkrcis eines Unijunction-Transistors eine der Aus-.•angsspynnun« des Wechselrichters proportionale GleichspaniHinn mit einer periodisch ansteigenden Spannung, die beim Ladevorgang eines Kondensators entsteht, verglichen wird. Das Ergebnis dieses Vergleichs ist eine sägezahnförmige Spannung veränderbarer Periode, von der Zeitmarkenimpulse für die Steuerung eines Multivibrators abgeleitet werden (US-PS 3 1)27 508).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art den Einfluß von Änderungen der Eingangsspannung bei geringem Schaltungsaufwand in einem größtmöglichen Bereich zu kompensieren.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß als periodisch ansteigende Spannung die Ladespannung eines Kondensators verwendet ist, der übor einen Widerstand von der Eingangsspannung mit zu dieser proportionaler Anstiegsgeschwindigkeit aufladbar und mit konstanter Frequenz entludbar ist.

Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Merkmale können zur Gewinnung eines Kriteriums für die Störgrößenaufschaltung der Eingangsspannung weitgehend die für die Erzeugung der Steuerimpulse für die Schalttransistoren erforderlichen Schaltungsteile benutzt werden.

Selbst bei großen Schwankungen der Eingangsspannung ist ein Abgleich der Schaltung nicht erforderlich, da ihre Auswertung direkt und ohne Meßwertverstärker erfolgt.

Die Impulsfolge zur Erzeugung der Sägezahnspannung ist zweckmäßig durch Umformung ir einer ersten Mono-Flop-Stufe und durch Invertie runt; und Verbreite ung in einer weiteten Mono ilup-Stufe gebildet. Die Steigungsanderungen de

Sägezahnspannung können durch Vei gleich mil der Ikviigsgleichspaniuing in einem Diffenmialkoinparaii'i inbreitenmodulierlc Impulse umgesetzt weiden. Pie am Ausgang des Differentialkomparators erhalionen hreilenmoduliei ten Impulse, die mit symmetrischen Impulsen aus einer vom Taktgeber gesteuerten Kippstufe überlagert werden, sind dabei an die Steuereingänge des Umrichters oder Wechselrichters geschaltet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert.

In der Fig. 1 ist der Leistungsteil eines fremdgesteuerten, geregelten Umrichters in Gegenlaktschaltung dargestellt.

Die Fig. 2 zeigt die Steuerschaltung für dtn Leistungsteil.

In der F i g. 3 ist ein Stcucrdiagramm für die Steuerschaltung dargestellt.

Die Fig. 4 und 5 zeigen je eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Hilfsspannungcn.

Der Leistungsteil (Fig. 1) des Umrichters besteht aus einer Gegentaktschaltung mit Schalttransistoren Ts 6 und Ti7 und aus einem Transformator Tr mit drei sokundiirseitigen Ausgängen //, B und L. Der Umrichter wild aus einer Spannungsqucllc U_r gespeist. Der Ausgang // ist für den Anschluß eines Verbrauchers vorgesehen. Die Ausgänge R und /. du neu der Erzeugung einer Hilfsspannung bzw. einer Meßspannung. Alle drei Ausgänge sind über je eine Siebschaltung LA - Cl. /.2 - Cl bzw. 1.3 - CJ, eine Freilaufdiode Dl, Dl bzw. D3 und eine Gleichrichterschaltung GrI, GrI bzw. Gr3 mit den Sekundärwicklungen des Transformators verbunden. Die Steuerung der Schalttransistoren Ts6 und Ts7 erfolgt über an Eingänge Al, Al und Al', AT zugefiihrte Steuerimpulse. Ober die Eingänge /11 und Al werden die in Transistoren 7s4 und Ts5 verstärkten, breitenmodulierten Impulse zur Einschaltung der Schalttransistoren geliefert. Gleichzeitig mit dem Fortfall der Steuerimpulse an den Eingängen /11 und Al erscheinen an den Eingängen A Γ und AT Impulse, die über Silialttransisloren Ti2 und Ti3 den Absehaltvoigang der Schalttransistoren T?6 und Ts7 verkurzen, indem sie mittels einer von Wicklungen ' und II des Transformators Tr abgenommenen Hilfsspannung einen Aiisiaumstroni in den liusis-Lmitteistrecken der Schalitiansist')ien 7'.s6und 7'.v7\ ei Ursachen. Um nach Beendigung des Ausräimivoi gangs die Sperrung des jeweils nichtleitenden Schalttransistors, r Π. des Schalttransistois 'Ts6, zu verbessern, wird an der Sekundärwicklung I des Transformators Vr mittels eines Gleiehiiehters eine Gleichspannung gewonnen, die einen Kondensator C4 autlädt. Sobald die Spannung an der l't imärw icklung des Transfor inators und damit auch an der Sekundärwicklung I verschwindet, liegt die Kondensatorspannung über ι inen Widerstand, eine Diode und den noch leitenden Scludttransistoi lsi aN Sperispannung an dei iJasis-l-.mitlerstiecke iles Schalttiansistors Tsf>. Die beschlc-m.igK· Abschaltung ei folnt /u entsprechender /eil it) gleiehci Weise beim Schalttransistoi 7s7.

Die in tier I^;i g. J dargestellte Stein ■ ι sehalt u ι ig dient im vv ese nt liehe η /ur 1-i/iugung dci .in den I-.ing. ι-ige .11. .12 und .-11'. .1 2' ei Io 111 c ι lit hen SuucMUi|>iilv Die Steiu.-ischaltiing ist so ausgebildet. l.itt die .tu lh reu Ausgängen zur Verfugung stehenden Sieuemnpulse sowohl in Abhängigkeit von Andciungcn dei F.ingangsspannung ί ■'_ als auch von Schwankungen de ι Ausgangsspanimng des Umrichluii. die duich Last oder renipeiatiiiandeiungen hervorgerufen werdiMi, hretteumodulieri sind. Die Kompensation dei lim gmigsspaunuiigsiiiulerunj! ei folgt duich eine Slorgioßenaufschaltung, wahrend Ausgangs.spunnungsandtrungen in einer Regelschaltung ausgeregelt werden. Auf Grund der unterschiedlichen Schaltmaßnahmen zur Stabilisierung der Ausgangsspannung des Umrichters (Störgrößenaufschaltung und Regelvorgang) wird eine besonders günstige Dynamik des geregelten Umrichters erzielt. Die erforderlichen Schaltmittel zur Erzeugung der breitenmodulierten Steuerimpulse mittels Störgrößenaufschaltung und Regelschaltung bestehen hauptsächlich aus integrierten Bausteinen ■5 und werden weitgehend gemeinsam ausgenutzt.

Eine Impulsfolge konstanter Frequenz, die nach Breitenmodulation in der Steuerschaltung an den Eingängen Al, Al und Al', AT des Umrichters anliegt, wird in einem aus drei NAND-Gattern Gl bis G3 bestehenden, als astabiler Multivibrator arbeitenden Taktgeber T erzeugt.

Im Steuerdiagramm der Fig. 3 ist die am Ausgang des Taktgebers T gemessene Impulsfolge ii dargestellt. Diese Impulsfolge α wird in einer aus zwei Gatlerstufen G4 und GS gebildeten Mono-Flop-Stufe Λ71 in eine Impulsfolge /> (breite Impulse mit schmalen Lücken) umgeformt, die an den Eingang einer Master-Slave-Kippstufe K und einer weiteren Mono-Flop-Stufe Ml mit Gattern G6und G7 geführt 3" wird. Die Mono-Flop-Stufe A/2 inverliert und verbreitert die Impulsfolge b, so daß eire neue Impulsfolge c gebildet wird, die den Entladevorgang eines Kondensators C in einem Sägezahngenerator S steuert. Während der Lücken der Impulsfolge c wird der Kondensator C im Sägezahngenerator über einen Widerstand R durch die Eingangsspannung L\ aufgeladen. Mittels eines Gatters GS mit intern unhcschaltetem Kollektor seines Ausgangstransistors wird der Kondensator C während der Pulsdauer der Impulst" folge c wieder entladen, so daß am Kondensator eine Sägezahnspannung U₁ entsteht. Die Steilheil der Ladekurve, nach welcher sich der Aufladevorgang vollzieht, ist von der Größe der angelegten Spannung abhängig. Andeningen dieser Spannung verursachen daher Steigungsänderungen der Anstiegsflanke der Sägezahnspannung Dementsprechend wird die Sägezahnspannung einen vorgegebenen Amplitudenwert jeweils nach einer Zeit en eichen, die von der Größe der Ladespannung abhängig ist. Auf Grund diesei V' Wirkungsweise ist die Schaltung zur Erzeugung einer Sägezahnspannung fur eine Störgrößenaufschaltung geeignet, wenn alsSpauniingsquelle für die Aufladung des Kondensators die I^;ingangsspannung i'_r des Umrichters benutzt wird.

Γι5 Die in der Steigung der Anstiegsflanke \erander· baie Sägezahnspannung l\ wird in einem in integrier tei Schaltung ausgebildeten Differeniialkonipara to· /' mil einer Sollwert -Gleichspannung (',,. tue ai einei Zenerdiode / abgegnffen wird, verglichen. De ''"' Ausgang des I )ilfeientialkomparalors P liefert eint breitenmodulierte Impulsfolge d, deren Ansticgsllanke mit der Absiiegsllanke der Sägezahnspannung zusammenfällt. Die Impulsbreite wird durch der Steigungswinkel der Anstiegsllauke der Säge/ahn- ^h^ spannung und damit durch die Höhe der Hingangs spannung U₁. für den Umrichter bestimmt. Diesei Schaltungsteil, der das Kriterium zur Kompensicriun von Eingangsspannungsänderungen liefert, kam

[lurch einfache SchallmaUnahmcn so ergänzt werden, daß gleichzeitig Änderungen der Ausgangsspannung des Umrichters, die durch I.astsprüngc oder Tempcralurschwankungcn hervorgerufen werden, ausgcrcgclt werden. Dem Glcidispannungs-Sollwert U₁ am Difiercntialkomparator P wird zu diesem Zweck an einem Transistor TsI eine Meßspannung überlagert, die über einen Spannungsteiler W an dem als Spannungsmcßstcllc vorgesehenen Ausgang L des Umrichters abgenommen wird. Es wird hierdurch eine gleitende Bczugsgleichspannung U_R für den Spannungsvergleich im Differcntialkomparator erhalten, dessen Meßspannungsantcil zusätzlich die Breitenmodulation der Impulse rf beeinflußt. Durch Einführen einer Hilfsspannung (/„ kann die ¹S gleitende Bczugsgleichspannung U_H bei völlig sperrendem Transistor TsI negative Werte annehmen, so daß die Pulsbreitc der Impulse rf zu Null werden kann.

Wie bereits erwähnt, wird die Impulsfolge b am Ausgang der Mono-Flop-Stufe Ml an den Eingang einer Mastcr-Slavc-Kippstufe K geführt, die die Aufgabe hat, die eingegebene Impulsfolge in zwei um 180° gegeneinander phascnvcrschobcne Impulsfolgen e und / mit doppelter Periodendauer und unveränderter Impulsbreite umzusetzen. Diese Impulsfol- ²S gen gelangen von Ausgängen Q und Q' dei Kippstufe K an zwei Gatter G9 und (710, deren zweite Eingänge mit den breitenmodulierten Impulsen rf vom Ausgang des Diffcrcntialkomparators beaufschlagt sind. Anden Ausgängen/11 und Al zweier ³" nachgeschalteter Umkehrstufen Ul und Ul werden die breitenmodulierten Steuerimpulse für die beiden im Gegentakt arbeitenden Schalttransistoren 7ä<» und TsI des Umrichters (Fig. 1) abgenommen. Der Einschaltzeitpunkt der Schalttransistoren ist abwechselnd durch die Abstiegsflanken der Sägezahnspannung gegeben, während ihre Sperrung bei Erreichender durch die gleitende lU-zugsgleichspaniuing U₁₁ vorgegebenen Abschalt werte erfolgt.

Die Ausgänge Al' und /12'der Umkehrstufen (71 4» und (72 führen gegen übe ι den Ausgängen /11 und /42 invertierte Impulsfolgen, welche die Transistoren TsI und 7's3 (Fig. 1) zur Verkürzung der Ausschaltzeit der Sehalttransistoren 7s6 und TsI steuern. Der zeitliche Verlauf der dabei zum Abschaltzeitpunkt fließenden Ausräumströme Ja ist im Steuerdiagramm (Fig. 3) dargestellt.

Die Meßpunkte für die im Steuerdiagramm (Fig. 3) dargestellten Impulsfolgen sind in der Steuerschaltung der Fig. 2 durch die entsprechenden Buchstaben gekennzeichnet.

Bei Überlastung des Umrichters kann eine Strombegrenzung über die impulsbreitengesteuerten Steuerimpulse der Stclltransistoren erfolgen. Der Ausgang eines Strombcgrcnzungsreglcrs Br wird von der KoI-lcktor-Emittcrstrcckc eines npn-Transistors gebildet, welcher die Zencrdiodc Z für die Sollwert-Bildung parallel geschaltet ist. Der im ungestörten Betrieb gesperrte Transistor überbrückt bei Überstrom die Zenerdiode und bewirkt durch verstärkten Spannungsabfall an dessen Vorwiderstand eine Verringerung des Sollwertes und damit auch der Pulsbreite der Steuerimpulse. Das Kriterium für die Strombegrenzung wird mittels eines im Primärstromkrcis des Umrichter-Transformators Tr eingesetzten Stromwandler St mit den Anschlüssen A" und A" (Fig. 1) gewonnen.

Die in der Fig. 4 dargestellte Scricn-Regclschaltung dient der Erzeugung einer Hilfsspannung U₁₁₂ für die Steuerschaltung und die Verstärkertransistoren 7s4 und TsS während des Einschaltvorganges des Umrichters. Sobald der Umrichter an seinem Ausgang Spannung führt, wird ein Rcgcltransistor TsH von dort über die Klemme R gesperrt. Am Eingang der Serien-Regelschaltung liegt die Eingangsspannung U_r des Umrichters, von der mittels einer Zenerdiode Zl noch die Hilfsspannung U_1n für die Steuerschaltung abgeleitet wird.

Die in der IMg. 5 dargestellte Sperrwandlet schaltung liefert die negative Milfsspannung U₁₁ für die Erzeugung der Bczugsgleichspannung U_H. Ein Transistor 7λ9 des Sperrwandlers wird über ein (latter (»I I vom Taktgeber 7' (IMg. 2) angesteuert.

Hierzu Ί IMaM Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Regelung der Ausgangsspannung eines von einem Taktgeber gesteuerten Gleichspannungsumrichlers oder Wechselrichters in Trunsistor-CJegcntiiktschallung mittels Impulsbreitenstcuerung der Schalttransistoren des Umrichters oder Wechselrichters, enthaltend eine Einrichtung zum Vergleich einer periodisch ansteigenden Spannung mit einer Bezugsgleichspannung, deren Größe von Änderungen der Ausgangsspannung gesteuert ist, und zur Ableitung von breitenmodulierten Steuerimpulsen aus dem Vergleich, wobei eine Einrichtung zur Störgrößenaufschaltung der Eingangsspannung in der Weise vorgesehen ist, da/3 sie Änderungen der Eingangsspunmmg in eine gegenläufige Änderung der Impulsbreiten umsetzt, dadurch gekennzeichnet, daß als periodisch ansteigende Spannung die Ladcspnmuing (U _s) eines Kondensators (C) verwendet ist, der über einen Widerstand (R) von der Eingnngsspuniumg (U₁) mit zu dieser proportionaler Anstiegsgeschwindigkeit aul'ladbar und mit konstanter Frequenz eniladbar ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (C) durch eine vom Taktgeber (T) abgeleitete Impulsfolge (c) konstanter Frequenz periodisch entladen wird.

ν Schaltungsanordnung nach Anspiuch 2, dadurch gekennzeichnet, dab die /ur Erzeugung der Sägezahnspannung^ !erforderliche Impulsfolge (r) durch Umformung in einer ersten Mono-I lop-Stule (Λ/1) und durch lnveitierur.g und Verbreiterung in einer weiteren Mono-Flop-Stufe ι Λ/2) gebildet ist.

■1 Sehiiltimgsaiioidining nach Anspruch 1, 2 oder .i. dadurch gekennzeichnet, daß ein Diffeu'iitialkomp.irator (/') vorgesehen ist, der die Sieigungsanderungen der Säge/ahnspannung (U₁) (liiicli Vergleich mit der Uezugsgleichspannung (1I₁₁) in breitenniodulierte impulse (</) umset/t.

5. Schdltungsanordnung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die am Ausgang dos Differentialkomparators (/') erhaltenen, hreitcninodulieiten Impulse (</) mit symmetrischen Impulsen (c, f) aus einer \om Taktgeber ( /') gesteui'iten Kippstufe ( K) libeilageit an die Steiieieingange des Umrichleis oilei Wechsel· iehters geschaltet ->ind.