DE3830460A1 - Schaltungsanordnung zur speisung eines elektrischen verbrauchers aus einem wechselspannungsnetz - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Speisung eines elektrischen Verbrauchers aus einem Wechselspannungsnetz gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Schaltungsanordnung kann beispielsweise in einem Stromversorgungsgerät oder einem Ladegerät für Akkumulatoren angewendet werden.

Stromversorgungsgeräte oder Ladegeräte mit Leistungen über 1,5 kW sollen dem speisenden Wechselspannungsnetz einen sinusförmigen Strom mit möglichst geringer Phasen­ verschiebung zwischen Strom und Spannung entnehmen. Dies läßt sich mit Hilfe von Hochsetzstellern (step-up-chop­ per) in einem Gleichspannungszwischenkreis erreichen. Dem Wechselspannungsnetz wird nämlich dann ein nahezu sinusförmiger Strom entnommen, wenn die hergestellte Gleichspannung zur Speisung eines Verbrauchers oder die Gleichspannung eines Gleichspannungszwischenkreises höher ist als der Scheitelwert der Wechselspannung. Es ist weiterhin bekannt, in Netzgeräten und Ladegeräten höherer Leistung mehrere (Anzahl n) Hochsetzsteller pa­ rallel zu betreiben und diese um einen Steuerwinkel 360°/n versetzt anzusteuern. Diese Technik wird auch bei Triebfahrzeugen mit hohen Leistungen angewendet. J. Körber beschreibt in "Elektrische Bahneny", Bd. 95, (1974), H. 3, Seiten 52 bis 59, insbesondere Seite 56, letzter Satz, die versetzte Ansteuerung mit "versetzten Takten".

Eine Anpassung der Ausgangsspannung an die vom Verbrau­ cher geforderte Spannung und außerdem verlangte galvani­ sche Trennung wird bei bekannten Anordnungen durch einen an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossenen Wechselrichter mit Transformator erreicht.

Nachteilig ist bei einer solchen Anordnung, daß die be­ nötigte Energie zweimal, nämlich im Hochsetzsteller und im Wechselrichter umgesetzt werden muß, wobei jedesmal Schalt- und Durchlaßverluste entstehen.

Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrun­ de, eine Schaltungsanordnung zur Speisung eines elektri­ schen Verbrauchers aus einem Wechselspannungsnetz anzu­ geben, die zu einem verbesserten Wirkungsgrad führt und wobei eine etwa sinusförmige Stromentnahme aus dem Wech­ selspannungsnetz erfolgt.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeich­ nende Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung enthält auf vorteilhafte Weise keinen Wechselrichter, weist jedoch eine galvanische Trennung auf, und ermöglicht eine An­ passung an die Verbraucherspannung. Da die Energie nur einmal, nämlich im Hochsetzsteller, umgesetzt wird, ist der Wirkungsgrad im Vergleich zu bekannten Anordnungen besser. Außerdem ist der Aufwand an Bauteilen geringer.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist eine Wei­ terentwicklung einer bekannten Schaltungsanordnung mit Hochsetzstellern und Saugdrossel, wie sie in der DE-OS 26 52 275 in Fig. 24 und Seite 49 der Beschreibung ange­ geben ist, wobei jedoch die Funktion der Saugdrossel von der Primärwicklung eines Transformators erfüllt wird, mit dem die Energie aus dem Gleichspannungszwischenkreis in einen Verbraucherstromkreis transformiert wird.

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung für ein Stromversor­ gungsgerät gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine als Dual-Steller mit Saugdrosselspule bekannte Schaltungsvariante gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit Dual-Steller und Transformator,

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit zusätzlichem Entladekreis für einen Kondensa­ tor im Gleichspannungszwischenkreis und

Fig. 5a, b Betriebsweisen des Stellers gemäß Fig. 3.

Fig. 1 zeigt eine bekannte Schaltungsanordnung eines Stromversorgungsgeräts für sinusförmige Netzstromentnah­ me und galvanischer Trennung mit Hilfe eines Hochfre­ quenztransformators 13. Eine Wechselspannungsquelle, z.B. ein Wechselspannungsnetz 1 speist einen Brücken­ gleichrichter 3 mit Dioden 2. Am Pluspol 4 des Gleich­ richterausgangs sind zwei Drosselspulen 5 a, 5 b ange­ schlossen, die zu einem Hochsetzsteller 6 a gehören, der außerdem zwei Stellertransistoren 7 a, 7 b und zwei Dioden 8 a, 8 b enthält. Dem Ausgang des Hochsetzstellers 6 a ist eine Reihenschaltung von zwei Zwischenkreiskondensatoren 9 a, 9 b parallelgeschaltet. Daran schließt sich ein Halb­ brückenwechselrichter 10 an, der zwei in Reihe geschal­ tete Schalttransistoren 11 a, 11 b und dazu jeweils paral­ lelgeschaltete Rückstromdioden 12 a, 12 b enthält und den Hochfrequenztransformator 13, der einerseits an einen Mittelpunkt 14 zwischen den Kondensatoren 9 a, 9 b und andererseits an einen Verbindungspunkt 15 zwischen den Transistoren 11 a, 11 b angeschlossen ist und die Energie in einen nicht dargestellten Sekundärkreis (Verbraucher- oder Lastkreis) überträgt.

Fig. 2 zeigt eine bekannte Schaltungsvariante, die sich von der in Fig. 1 dargestellten Schaltung durch eine geänderte Ausführung des Hochsetzstellers unterscheidet. Die übrigen Schaltungsteile, also Gleichrichter 3, Kon­ densatoren 9 a, 9 b und Wechselrichter 10 sind identisch mit denjenigen der Fig. 1. In der dargestellten Variante 6 b des Hochsetzstellers ist anstelle der beiden Drossel­ spulen 5 a, 5 b, die in Fig. 1 dargestellt sind, eine Saugdrossel 16 und eine Glättungsdrossel 17 angeordnet. Vergleicht man die Belastung der Glättungsdrossel 17 mit derjenigen der beiden Drosselspulen 5 a, 5 b, so ist fest­ zustellen, daß die Glättungsdrossel 17 zwar den gesamten Strom führen muß, jedoch nur mit der halben Spannung und bei doppelter Frequenz betrieben wird.

In Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung dargestellt, die von der bekannten Anordnung gemäß Fig. 2 ausgeht, wobei jedoch die Wechselrichterschaltung 10 entfällt. Bei der erfindungsgemäßen Variante 6 c des Hochsetzstellers ist anstelle der Saugdrossel 16 ein Transformator 18 eingesetzt, dessen Primärwicklung 19 eine Mittelanzapfung aufweist und die Funktion einer Saugdrossel hat, solange der Sekundärwicklung 20 des Transformators 18 keine Leistung entnommen wird. Mit dem Transformator 18 wird Energie in den Sekundärkreis über­ tragen. Sekundärseitig kann in bekannter Weise an die Sekundärwicklung 20 mit Mittelanzapfung eine Gleichrich­ teranordnung 21 angeschlossen sein für die Speisung ei­ nes Verbrauchers 22. In der vorgesehenen Betriebsweise des Hochsetzstellers 6 c werden die beiden Stellertransi­ storen 7 a und 7 b abwechselnd um 180° phasenverschoben geschaltet, wobei die Einschaltdauer eines Transistors jeweils oberhalb einer halben Periodendauer liegt oder gleich einer halben Periodendauer (ω t=180°) ist. Die­ ser Schaltbetrieb der Transistoren 7 a und 7 b ist in Fig. 5a dargestellt. Dort ist der Strom I der Transisto­ ren 7 a und 7 b in Abhängigkeit vom Steuerwinkel t auf­ getragen. Da die Einschaltdauer der Transistoren 7 a bzw. 7 b länger als eine halbe Periodendauer ist, ergeben sich Phasen Ph1, in denen beide Transistoren 7 a und 7 b Strom leiten.

Wenn die beiden Stellertransistoren 7 a und 7 b des Hoch­ setzstellers 6 c leitend sind, fließt Strom vom Netz 1 über den Gleichrichter 3 und die Glättungsdrossel 17 und beide Teilwicklungen der Primärwicklung 19 des Transfor­ mators 18. Nach Ausschalten eines Transistors, z.B. des Transistors 7 a, übernimmt z.B. die Diode 8 b den Strom. An der gesamten Primärwicklung 19 liegt dann eine am Kondensator 9 anliegende Spannung U _d , da der Kondensator 9 über die Diode 8 b und den Transistor 7 b parallel zur Primärwicklung 19 geschaltet ist. Die Spannung der Pri­ märwicklung 19 wird in die Sekundärwicklung 20 transfor­ miert. Wenn - im Falle der dargestellten Schaltung mit Mittelanzapfung an der Sekundärwicklung 20 des Transfor­ mators 18 - die halbe Sekundärspannung des Transforma­ tors 18 eine Spannung U _s am Verbraucher 22 überschrei­ tet, fließt ein Strom zum Verbraucher 22. In den Konden­ sator 9 fließt beim Ausschalten des Transistors, z.B. des Transistors 7 a, nur die Energie, die in der Streuin­ duktivität der halben Primärwicklung gespeichert ist.

In Fig. 5b ist ein Betriebszustand dargestellt, der auf­ tritt, wenn die Einschaltdauer der Transistoren 7 a bzw. 7 b unterhalb einer halben Periodendauer liegt. Dann tre­ ten Phasen Ph2 auf, in denen keiner der Transistoren 7 a oder 7 b Strom leitet. In diesem Fall fließt der Strom über die Dioden 8 a und 8 b in den Kondensator 9 (Fig. 3).

Fig. 4 zeigt eine vorteilhafte Möglichkeit, Oberschwin­ gungen im Netzstrom zu verringern. Dargestellt ist eine Variante 6 d des Hochsetzstellers. Die übrigen in Fig. 4 nicht dargestellten Schaltungsteile, also Gleichrichter 3, Kondensator 9 und der Sekundärkreis 21, 22 stimmen mit denjenigen der Fig. 3 überein.

Die Variante 6 d des Hochsetzstellers enthält zusätzlich zu der in Fig. 3 dargestellten Schaltungsanodnung eine Reihenschaltung von einer zusätzlichen Drosselspule 23 und einem elektronischen Schalter, z.B. Transistor 24, wobei die Drosselspule 23 an den Pluspol 4 am Eingang des Hochsetzstellers 6 d und der Transistor 24 mit dem Pluspol am Kondensator 9 verbunden ist. Außerdem ist an der Verbindungsstelle zwischen Drosselspule 23 und Tran­ sistor 24 eine Freilaufdiode 25 angeschlossen, deren zweiter Anschluß mit dem Minuspol des Hochsetzstellers verbunden ist. Der Transistor 24 wird so angesteuert, daß er periodisch den Kondensator 9 mit dem Pluspol 4 verbindet. Nach Sperren des Transistors 24 leitet die Freilaufdiode 25 den Strom vom Minuspol. Die zusätzliche Drosselspule 23 liegt dann über ein leitendes Diodenpaar des Gleichrichters 3 parallel zum Wechselspannungsnetz 1.

Mit einer geeigneten Steuerung bzw. Regelung des Transi­ stors 24 können Oberschwingungen im Netz gesenkt werden. Dafür ist eine Pulsbreitensteuerung mit Regelung der Pulsbreite geeignet. Dazu wird der Istwert des Ober­ schwingungsgehaltes des Netzstromes gemessen und mit dem sinusförmigen Sollwert verglichen. In Abhängigkeit von der Abweichung wird die Pulsbreite und damit die Ein­ schaltdauer des Transistors 24 verändert.

Claims (3)

1. Schaltungsanordnung zur Speisung eines elektri­ schen Verbrauchers aus einem Wechselspannungsnetz, dem ein etwa sinusförmiger Wechselstrom entnommen wird, wo­ bei die Schaltungsanordnung eine Reihenschaltung eines Gleichrichters, eines Hochsetzstellers und eines Zwi­ schenkreiskondensators aufweist, sowie eine Einrichtung zur galvanisch getrennten Energie-Übertragung zum elek­ trischen Verbraucher enthält und wobei der Hochsetzstel­ ler als Dual-Steller mit Saugdrosselspule ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugdrosselspule als Primärwicklung (19) eines Transformators (18) ausge­ führt ist, dessen Sekundärwicklung (20) galvanisch ge­ trennt den Verbraucher (22) speist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Sekundärwicklung (20) und den Verbraucher (22) eine Gleichrichteranordnung (21) geschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Pluspol (4) am Ausgang des Gleichrichters (3) über eine zusätzliche Drosselspule (23) und einen elektronischen Schalter (24) mit dem Zwischenkreiskondensator (9) verbunden ist und zwischen der Verbindungsstelle zwischen Drosselspule (23) und elektronischem Schalter (24) und dem Minuspol des Gleichrichters (3) eine Freilaufdiode (25) ange­ schlossen ist.