AT401130B - Elektrische schaltung zum erzeugen einer schwingungspaketgesteuerten impulsspannung aus einer gleichspannung - Google Patents

Description

AT 401 130 B

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Schaltung zur Erzeugung einer schwingungspaketgesteuerten Impulsspannung aus einer Gleichspannung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Aus der DE-OS 2 153 194 ist ein Impulsgenerator bekanntgeworden, der dem Oberbegriff des Patentanspruchs entspricht. Bei einer derartigen Schaltung ist es nachteilig, daß ein erheblicher Einfluß der Amplitudenänderung der Wechselspannung auf den quadratischen relativen Effektivwert besteht.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diesen Einfluß wesentlich herabzusetzen. Die Lösung der Aufgabe gelingt mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs.

Aus der DE-OS 2 444 141 ist eine Schaltungsanordnung zur Kompensation des Einflusses von Amplitudenänderungen einer Wechselspannung auf ein Steuersignal bekanntgeworden, wobei letzteres von einer getasteten Wechselspannung gebildet wird. Hierbei wird das Steuersignal in Abhängigkeit vom jeweiligen Wert der Nennspannungsabweichung gegenüber seinem Wert bei Nennspannung geändert.

Schaltungen gemäß dem Patentanspruch werden benötigt, um bei Aufladesteuerungen für elektrische Speicherheizungen den Steuerwiderstand für den die Aufladung steuernden Laderegler vorzuheizen. Mit der Erfindung wird eine schwingungspaketgesteuerte Impulsspannung erzeugt, deren quadrierter relativer Effektivwert Xa an einen Lastwiderstand Ri sich proportional mit einer Steuergleichspannung Ust ändert.

Der Lastwiderstand ist hierbei der Steuerwiderstand des Aufladereglers, und die Steuergleichspannung ist eine Spannung, die sich aus der Außentemperatur und Zeitanteilen zusammensetzt. Somit gilt Gleichung x10° % = f iUst) (1) wobei

Xa = 0...100% (2) dieser quadrierte relative Effektivwert Xa zwischen 0 bis 100 % schwanken kann und wobei weiterhin gemäß Gleichung

Ust = 0 ... Ustmax (3) die Steuerspannung von 0 bis zu einem Maximum variieren kann.

Setzt man für die jetzt folgenden Überlegungen voraus, daß die Wechselspannung eine Sinus-Wechselspannung, zum Beispiel die Netzspannung, ist, so gilt Gleichung

U ein eff 12 wobei

(4) beziehungsweise

Uoeff~ J2 (z. B. 220 V) (5)

Weitere Ausgestaltungen und besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren 1 und 2 der Zeichnung näher erläutern.

Die Figur 1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer elektrischen Schaltung und die Figur 2 ein Diagramm.

Die elektrische Schaltung 1 weist einen Eingang 2 mit Polen 3 und 4 auf, an die eine Gleichspannung Us, so angelegt ist, daß ihr positiver Wert an 3, ihr negativer Wert an 4 zu liegen kommt. Die elektrische Schaltung weist einen zweiten Eingang 5 auf, der Pole 6 und 7 besitzt, an die die in ihren Schwingungspaketen zu steuernde Impulsspannung U~ angelegt ist. Über eine Leitung 8 sind die Pole 4 und 7 galvanisch miteinander verbunden. Der Pol 3 ist über eine Leitung 9, in die ein Widerstand 10 eingeschleift ist, mit 2

AT 401 130 B dem invertierenden Eingang 11 eines Operationsverstärkers 12 verbunden, dessen nichtinvertierender Eingang 13 über eine Leitung 14 mit der Leitung 8 verbunden ist. Der Operationsverstärker 12 ist über Leitungen 15 und 16 an eine Versorgungsspannung Us angeschlossen. Ein Ausgang 17 des Operationsverstärkers 12 ist über einen Kondensator 18 mit dem invertierenden Eingang 11 verbunden. Der Ausgang 17 des Operationsverstärkers bildet gleichzeitig den Eingang eines Schmitt-Triggers 19, der über eine Wirkverbindung 20 einen elektronischen Schalter 21 beherrscht, der im Zuge einer Leitung 22 angeordnet ist, die vom Pol 6 abgeht und zu einem Lastwiderstand 23 führt, der aur seinem anderen Ende mit der Leitung 8 verbunden ist. Von einem Verbindungspunkt 24 zwischen dem elektronischen Schalter 21 und dem Lastwiderstand 23 zweigt eine Leitung 25 ab, die zu einer Rückführung 26 führt, die aus einer Diode 27, einem Schwellwertschalter 28 und einem Widerstand 29 besteht, wobei die Leitung 25 an den invertierenden Eingang 11 des Operationsverstärkers 12 angeschlossen ist. Der Operationsverstärker 12 bildet in Verbindung mit dem Kondensator 18 einen Integrator. Der Schwellwertschalter 28 bildet in Verbindung mit der Diode 27 eine Spannung u , die als am Punkt 30 angreifend anzusehen ist.

Im Diagramm der Figur zwei ist auf der Abszisse die Zeit t, auf der Ordinate die Spannung am Lastwiderstand 23 dargestellt. In Abhängigkeit von der Zeit ist eine sinusförmige Wechselspannung 31 abgebildet, deren Schwingungspakete 32 in Abhängigkeit von dem Schließ-/Öffnungsverhältnis des elektronischen Schalters 21 entsteht. Es ist eine Einschaltdauer tem und eine Gesamtzeitdauer T in diese Wechselspannung eingezeichnet. Die Amplitude der Wechselspannung ist mit 0 bezeichnet.

Die in der Figur eins dargestellte Schaltung arbeitet wie folgt:

Es wird davon ausgegangen, daß die Steuerspannung Ust den Wert > 0 Volt aufweist. Im Augenblick der Einschaltung der Versorgungsspannung und des Anlegens der Impulsspannung an die Pole 6 und 7 sei der Schalter 21 geschlossen. Über die Rückführung 26 fließt ein Rückführstrom -ii, da die Diode positive Halbwellen der Impulsspannung unterdrücken würde. Die Integratorspannung des Integrators 12/18 läuft gegen den Wert der positiven Versorgungsspannung Us, bis die obere Schaltschwelle des Schmitt-Triggers 19 erreicht ist. Der Schmitt-Trigger schaltet durch und öffnet den elektronischen Schalter 21. Das bedeutet, daß die Rückführung 26 stromlos wird und am Lastwiderstand 23 jeglicher Stromfluß aufhört. Liegt nun aber die Steuerspannung Us, mit Werten größer als 0 an den Polen 3 und 4 an, so wird diese jetzt wirksam, als Folge davon fließt ein Strom i2 durch den Widerstand 10. Dieser wiederum bewirkt, daß die Integratorspannung gegen den Wert der negativen Versorgungsspannung -Us läuft, bis die untere Schaltschwelle des Schmitt-Triggers erreicht wird. Der Schmitt-Trigger 19 schattet wiederum zurück und schließt der elektronischen Schalter 21, sodaß ein weiteres Schwingungspaket durch den Lastwiderstand 23 von der Impulsspannung getrieben wird. Das Tastverhältnis temJ T des elektronischen Schalters 21 wird durch die Stromwerte von ii und i2 bestimmt gemäß Gleichung ein Γ

(6) α

Hieraus ergibt sich, daß Xa sich wie Gleichung ein

X a . (

T

(7) verhält. Durch Umformung erhält man Gleichung u« 1 = ( — · si} — · (_) R-> r. λ 3 (8) ΑΤ 401 130 Β

Unter der Voraussetzung, daß sich bei der Anwendung bei Aufladesteuerungen für an Netzwechselspannungen liegende Speicherheizungen die Netzwechselspannung Toleranzabweichungen nach oben und unten aufweist, gelten die nachfolgenden Überlegungen. Damit wird die Impulsspannung U~ gleichgesetzt mit einer Spannung gleich 220 V, wobei ein Minimum von U*» gleich 198 V und ein Maximum von Uen von 242 V gemäß einer Toleranzbreite von £ 10 % zustande kommen kann. Damit schwankt auch der Wert Xa gemäß der Gleichung

Xa = Xao±lO% (9)

Durch den Einbau des in der Rückführung 26 vorhandenen Schwellwertschalters 28 mit einer bestimmten Schwellwertspannung U2 in die Rückführung, kann der Einfluß der Amplitudenänderung der Wechselspannung auf den quadratischen relativen Effektivwert wesentlich herabgesetzt werden. Für die Arbeitsweise ist entscheidend das Verhältnis gemäß Gleichung b

(10)

Das Optimum des Wertes für b wird im Folgenden abgeleitet.

Gemäß Figur zwei ist ein Diagramm dargestellt, das den Verlauf der auf den Integrator rückgeführten Spannungswerte in Abhängigkeit des Phasenwinkels ό zeigt. Das Maximum der Amplitude bedeutet die Spannung u der Spannung U~. Der Wert Uz bedeutet die Spannung des Schwellwertschalters, bei der er durchschaltet. Die durch die Diode 27 in der Rückführung 26 durchgelassene Halbwelle 33 weist zunächst einen vom Spannungswert 0 bis -Uz abfallenden Ast 34 auf, der vom Schwellwertschalter unterdrückt wird. Erst der über den Punkt 35 hinausgehende Teil der Spannung 33 gemäß dem Kurvenstück 36 wird durchgelassen. Erreicht die Spannung 33 den Punkt 37, das heißt die Gleichheit mit der am Schwellwertschalter eingestellten Spannung U2, sperrt der Schwellwertschalter den weiteren Durchgang der Spannung 33. Spannungsanteile der Wechselspannung, die positiv sind, werden ohnehin durch die Diode 27 gesperrt.

Aus dem Diagramm gemäß Figur zwei lässt sich folgende Beziehung gemäß Gleichung

U

arc sin (11) Ü

Diese Gleichung kann durch Einsetzen und Umformen auf die Gleichungen (12) bis (17) gebracht werden.

G u

2 Π

L α sin Ψ d Ψ

ΜΠ - 2dC)2 B (12)

(13) (14) U = f; ( Q . 2 . COSa - U2 (ir - 2a)) 4

AT 401 130 B u

£ cos T

U

TT- iL 2 T ( 15) u -u. cos arc sin —-Ü u ¥ - 2

z arc sin —τι; 2 T (16)

(17) ¥

Die Gleichung (17) stellt somit die Spannung u dar, die vom Schwellwertschalter am Punkt 30 abgegeben wird, dividiert man diese Spannung durch den Widerstandswert des Widerstandes 29, so erhält man den Strom ii. Dieser Strom ist maßgebend im Verhältnis zum Strom 12 für das Taktverhältnis und damit das Schwingungspaketverhältnis der ein- und ausgeschalteten Schwingunspakete. Zurückgehend zu den Überlegungen die zur Gleichung (10) führten, dienen die nachfolgenden Überlegungen dazu, den Faktor b zu bestimmen, bei dem die Wechselspannungsänderungen die Änderung des quadrierten relativen Effektivwertes c · Xao ein Minimum ergibt. Zur Vereinfachung der Ableitung werden nachstehende Vereinbarungen gemäß Gleichungen (18), (19). (20) und (21) getroffen. a) D = a . u0 u0 = Bezugsspannung (18) b) U2 = b . ü0 (19) c) X3 = c . Xao Xao = quadrierter relativer Effektivwert der Bezugsspannung u0 (20) (21) d) in Por=el (1) wird

U 3

R

R

K 2 gesetzt.

Mit diesen Vereinbarungen und der Gleichung (8) ergibt sich Gleichung 5

(22) AT 401 130 B K . a cos are sin r-a _ b π *2 arc sin 2 π 7

Durch Vereinfachung ergibt sich Gleichung (23) ao cos arc sm o (23) - o . £λ - 2 arc sm a 2 il da bei Xao a = 1 ist.

Unter Berücksichtigung von Gleichung (20) gilt Gleichung (24) X. (20) c ao (2H) c

co8 arc sin b TT - b

IT - 2 arc sin Ό 2 T cos arc sm — 17 - 2 arc sin | i 8 - b 2 ii

Unter Berücksichtigung der Gleichungen (25) und (26) 2 - arc sin x = arc cos x cos arc sin x = N 1 - x2 kann man Gleichung (24) zu Gleichung (27) vereinfachen (25) (26) (27) yi - b2' - b . arc cos b T“1 „ b“ . b 1 - —^ - b . arc cos — und zu Gleichung (28) umformen. 6

Claims (2)

1. AT 401 130 B

   *y 1 - o - b arc cos b — - - - — 1 P p*' *» Va - b - t arc cos ^ Bei der Gleichung (28) handelt es sich um eine transzendente Gleichung, die nicht auf eine algebraische Gleichung rückführbar ist. Deswegen wird mit Hilfe eines programmierbaren Rechners der optimale b-Wert ermittelt, bei dem bei einer vorgegebenen Bandbreite der Amplitudenschwankung der Wechselspannung der Wert c ungefähr 1 bleibt. Für eine Schwankung der Wechselspannung ergeben sich folgende Werte: einmal bei einer zehnprozentigen Schwankung und zum zweiten bei einer zwanzigprozentigen Schwankung. Für die zehnprozentige Schwankung gilt a = 0,9 bis 1,1 wobei sich der Wert bop, zu 0,3908 ergibt und der Wert c = ± 0,82 % ist. Bei einer Schwankungsbreite von 20 % gilt a = 0,8 bis 1,2, wobei sich für bop, ein Wert von 0,3803 bei einem c-Wert von 3,3 % ergibt. Die Ermittlung der b-Werte wird wie folgt vorgenommen und anhand der Figuren vier bis sieben näher erläutert. Aus der Gleichung (28) ergibt sich, daß b zwischen dem Wert 0 und dem Wert 1 schwanken wird. Es werden also, da c möglichst 1 sein soll, Werte von d eingegeben, die dazu führen, daß sich der Wert c dem Wert 1 möglichst annähert. Wird gemäß Figur vier von einem b-Wert von 0,1 ausgegangen, so ergibt sich durch Rechnung eine Kurve 37, die nahezu als Gerade aufzufassen ist. Diese Kurve hat aber eine relativ große Abweichung gegenüber der Lage der Abszisse. Setzt man b gleich 0.
2. 2 ergibt sich die Kurve 38, ein gegenüber der Kurve 37 schon günstigeres Ergebnis. Für einen Wert von b gleich 0,3 ergibt sich die Kurve 39, der Wert wird noch günstiger. Für einen b-Wert von 0,4 ergibt sich die Kurve 40, wobei der c-Wert schon nahezu 1 ist, in einem Bereich von a gleich 1,05 bis 0,95. Ein weiteres Vergrößern des b-Wertes zu 0,5 gemäß der Kurve 41 zeigt, daß die c-Werte bereits wieder größer werden. Somit muß das Optimum etwa bei d = 0,4 liegen. Geht man gemäß Figur fünf in zweistellige b-Werte, so ergeben sich für die b-Werte von 0,35 bis 0,39 die Kurven 42 bis 46, woraus man (vgl. den variierten Maßstab in der Ordinate) erkennt, daß das Optimum bei b-Werten von 0,39 gemäß Kurve 46 liegt. Nun geht man im gleichen Sinne gemäß Figur sechs weiter und wählt dreiziffrige Werte für b gemäß den Kurven 47 bis 49. Bei vierziffrigen Werten für b gemäß den Kurven 50 und 51 reicht die erzielte Genauigkeit für die gewünschten Anforderungen aus, sodaß die Ermittlung von b abgebrochen wird. Zurückgreifend auf die Gleichung (10) ergibt sich also der Wert, den bei einem optimalen Wert von b die Durchschaltespannung des Schwellwertschalters annehmen muß (U2), um bei einer gegebenen Impulsspannung U0 die kleinsmögliche Abweichung des quadrierten relativen Effektivwertes an einem Lastwiderstand zu erhalten. Diese Überlegungen gelten unabhängig davon, wie groß der Lastwiderstand ist und wie groß demgemäß die Leistung ist. Die Überlegungen gelten weiterhin für von einer Sinusspannung unabhängige Formen einer Impulsspannung LK und von der Höhe der Amplitude dieser Impulswechselspannung. Da sich bei anderen Impulsformen der Impulswechselspannung ein anderer Ansatz gemäß Gleichung (12) ergibt, ergeben sich damit automatisch andere Werte für den Wert b beziehungsweise für U2. Patentansprüche 1. Elektrische Schaltung zum Erzeugen von Impuls-Paketen, deren Zeitdauer durch eine Gleichspannung gesteuert ist mit einem Integrator, an dessen Eingang die Gleichspannung gelegt ist, und einem Schwellwertschalter, der im Ausgang des Integrators liegt und einen elektronischen Schalter im Stromkreis der Impulsspannung beherrscht und bei der eine Rückführung der Impulsspannung auf den Eingang des Integrators vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rückführung ein Schwellwertschalter (28) vorgesehen ist und daß die Größe des Schwellwertes, bei dem der Schwellwertschalter (28) die Rückführung zuläßt, der Beziehung gemäß folgender Gleichung

   gehorcht, wobei U2 die Durchschaltespannung des Schwellwertschalters und Uc eine von der Impulsspannung (UM abgeleitete Spannung bedeuten und wobei der Wert für b gemäß Gleichung 7 AT 401 130 B 2 a

   -b - b arc cos - b - b arc cos c b ~b a ermittelt ist, wobei c möglichst gering vom Wert 1 abweichende Werte und a die Schwankungsbreite der Amplitude der Impulsspannung (IK) bedeuten. Hiezu 7 Blatt Zeichnungen 8