-
Einrichtung zur Speisung eines Verbrauchers mit konstanter Spannung
über einen periodisch betätigten Schalter Die Erfindung bezieht sich auf Stromversorgungsanlagen
mit einer Pufferbatterie, die die Speisung des Verbrauchers übernimmt, wenn das
Wechselstromnetz ausfällt, das normalerweise den Verbraucher über einen Gleichrichter
versorgt. Diese Batterie wird bei Netzantrieb aufgeladen. Im vollgeladenen Zustand
ist ihre Klemmenspannung höher als die geforderte Verbraucherspannung. Bei längerem
Batterieantrieb sinkt sie jedoch unter diesen Wert ab. Da dadurch hervorgerufene
Änderung der Spannung am Verbraucher ist in vielen Fällen unzulässig. Häufig müssen
sogar sehr kurze Spannungsänderungen vermieden werden.
-
Es sind schon Anlagen bekannt, bei denen zwischen Batterie und Verbraucher
ein Maschinenumformer liegt, der eine zusätzliche additiv oder subtraktiv wirksame
Spannung solcher Größe liefert, daß die Verbraucherspannung konstant bleibt. Derartige
Anlagen haben sich gut bewährt. Häufig stört jedoch die verhältnismäßig große Anlaufzeit.
-
Es wurde weiter vorgeschlagen, die rotierenden Umformer durch Wechselrichter
zu ersetzen, die mit statischen Mitteln, z. B. mit steuerbaren Halbleitergleichrichtern,
arbeiten. Diese Wechselrichter arbeiten im allgemeinen im Gegentaktbetrieb. Es ist
aber auch schon bekannt, zu diesem Zweck Eintaktwechselrichter, z. B. Röhrengeneratoren,
zu verwenden. Diese bestehen in der Regel aus einem Eingangsschwingkreis, dessen
Spule als Transformator ausgebildet ist, der außer einer Rückkopplungswicklung auch
eine Sekundärwicklung trägt. Die an dieser Sekundärwicklung auftretende Wechselspannung
wurde z. B. mit Hilfe eines Zweiwegegleichrichters in eine Gleichspannung umgeformt
und zur Erhöhung der den Generator speisenden Gleichspannung verwendet.
-
Die Ausgangsspannung derartiger Wechselrichter läßt sich jedoch nicht
ohne beträchtlichen zusätzlichen Aufwand regeln. Außerdem kann ein solcher Wechselrichter,
dessen Ausgangsspannung mittels eines Gleichrichters, der mit Batterie und Verbraucher
in Serie liegt, gleichgerichtet werden muß, nur eine Erhöhung der Spannung erwirken.
Solche Anordnungen können somit die Differenzspannung nicht ausgleichen, die direkt
nach dem Einschalten einer voll aufgeladenen Batterie auftritt.
-
Aus diesem Grund und auch zur Verminderung des Aufwandes, der erforderlich
ist, um die Ausgangsspannung eines Wechselrichters unmittelbar zu regeln, hat auch
schon zwischen Batterie und Verbraucher einen Gleichspannungsregler gelegt, mit
dessen Hilfe am Verbraucher eine Spannung eingestellt werden kann, die niedriger
ist als die Speisespannung. Dabei hat man zwischen Batterie und Gleichspannungsregler
noch eine Spannung eingeführt, die von einem nicht geregelten Wechselrichter geliefert
wird, der ebenfalls mit der Batteriespannung gespeist wird.
-
Als Gleichstromregler verwendet man hierzu häufig Transistoren, die
stetig oder auch als Schalter gesteuert werden. Bei Verwendung eines periodisch
betätigten Schalters als Gleichstromregler ist es jedoch erforderlich, zwischen
den Schalter und die Last Speicherglieder zu legen, die eine Glättung der Verbraucherspannung
bewirken. Sie bestehen in der Regel aus einer Längsdrossel und einem dem Verbraucher
parallelliegenden Kondensator. Parallel zu der aus Drossel und Verbraucher bestehenden
Reihenschaltung wird dabei in der Regel ein Ventil gelegt, das so gepolt ist, daß
auch bei geöffnetem Schalter ein von der EMK der Drossel getriebener Strom über
den Verbraucher fließen kann. In diesem Zusammenhang ist es auch bekannt, an Stelle
eines als Schalter betriebenen Transistors eine aus zwei steuerbaren Gleichrichtern
und einem Löschkondensator bestehende Anordnung zu verwenden, die im allgemeinen
als Chopper bezeichnet wird.
-
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Speisung eines Verbrauchers
mit konstanter Spannung,. der über eine Glättungseinrichtung mit Nullanode und einen
periodisch betätigten Schalter an eine Gleichspannungsquelle, vorzugsweise eine
Batterie, angeschlossen ist, die zeitweise auf die maximal zulässige Spannung aufgeladen
wird.
-
Bei einer derartigen Anordnung läßt sich die Verbraucherspannung unabhängig
von Schwankungen der Speisespannung, z. B. vom Ladezustand der Batterie, mit sehr
geringem Aufwand so konstant halten,
daß die Verbraucherspannung
frei von Oberwellen und Spannungsspitzen ist, wenn erfindungsgemäß zwischen den
Schalter und die Glättungseinrichtung ein Ventil gelegt wird, dem die Sekundärwicklung
eines Transformators über ein zusätzliches Ventil parallel geschaltet ist, und wenn
die Primärwicklung dieses Transformators über einen zweiten Schalter an die Gleichspannungsquelle
angeschlossen ist und die Schalter periodisch betätigt werden, und zwar der erste,
wenn die Spannung am Verbraucher größer, und der zweite, wenn sie kleiner als der
Sollwert ist. Das Schaltverhältnis der Schalter hängt dabei in bekannterWeise von
der Größe der Regelabweichung ab.
-
Als Schalter werden vorzugsweise elektronische Schalter, wie beispielsweise
steuerbare Halbleitergleichrichter, verwendet. Jeder Schalter läßt sich hierbei
z. B. mit Hilfe von zwei steuerbaren Halbleitergleichrichtern darstellen, die über
einen Löschkondensator parallel geschaltet sind und denen abwechselnd periodisch
Zündimpulse zugeführt werden, deren Abstand von einer Stellgröße abhängt.
-
Ein Ausführungsbeispiel ist in F i g. 1 gezeigt. Der Verbraucher 5
ist über eine Glättungseinrichtung 4, bestehend aus einer Drossel 41- und einem
Kondensator 42, ein Ventil 31 und einen Schalter 2 an die Batterie
1 angeschlossen.
-
Mit 9 ist ein Transformator bezeichnet, dessen Primärwicklung
91 über einen zweiten Schalter 8 der Batterie 1 parallel geschaltet
ist und dessen Sekundärwicklung 92 über einen Einweggleichrichter
32
dem Ventil 31 parallel liegt.
-
Wie erwähnt, bestehen die symbolisch dargestellten Schalter vorzugsweise
aus je zwei über einen Kondensator parallelgeschalteten steuerbaren Halbleitergleichrichtern.
Die Steuerbefehle für die Schalter, z. B. die Zündimpulse für die Halbleitergleichrichter
werden von einem Regler 7 geliefert, dem als Einflußgröße die am Verbraucher
5 herrschende Istwertspannung U, zugeführt wird. Der Regler ist so ausgebildet,
daß er den Schalter 2 periodisch öffnet und schließt, wenn die Spannung U,
größer als der vorgeschriebene Sollwert ist. Die Öffnungszeit des Schalters hängt
hierbei von der Größe der Abweichung der Verbraucherspannung vom Sollwert ab. Die
Batteriespannung wird somit durch den Schalter 2 »zerhackt«.
-
Nun soll sich aber nur der Mittelwert der am Verbraucher 5 liegenden
Spannung ändern. Zu diesem Zweck ist das als Siebglied und Energiespeicher wirkende
LC-Glied 41, 42 vorgesehen. Wenn der Schalter 2 geöffnet ist, hält
die Drossel 41 infolge der in ihr gespeicherten magnetischen Energie den
Stromfluß durch den Verbraucher 5 über die Nullanode 43 aufrecht.
-
Fällt dagegen die Verbraucherspannung unter den gewünschten Sollwert,
dann steuert der Regler 7 den Schalter 8 in ähnlicher Weise wie zuvor
den Schalter 2. Die Primärwicklung 91 des Transformators 9 wird dadurch periodisch
an die Batterie angeschlossen. Dadurch entstehen in der Sekundärwicklung
92
Wechselspannungsimpulse, deren Mittelwert weitgehend von der Einschaltdauer
abhängt. Diese Spannungsimpulse werden über den Einweggleichrichter 32 in
den Verbraucherstromkreis eingeführt. Wenn die an der Wicklung 92 auftretende Spannung
die angedeutete Polarität hat und größer als die Schwellwertspannung des Ventils
31 ist, dann sperrt dieses Ventil 31, und die Spannung an der Sekundärwicklung
92 liegt additiv in dem Verbraucherkreis und wird durch die Drossel 41 und
den Kondensator 42
geglättet.
-
Mitunter ist es empfehlenswert, der Primärwicklung 91 des Transformators
9 eine Nullanode 61 parallel zu schalten, um so die Rückmagnetisierung
des Transformatorkernes zu erleichtern. Beim Betrieb einer solchen Anlage mit einem
Halbleitergleichrichter-Schalter, wie er in F i g. 2 gezeigt ist, ist es jedoch
für die Umladung des Löschkondensators von Vorteil, wenn an der Transformatorwicklung
eine gewisse Rückmagnetisierungsspannung auftritt. Um diese auf einen brauchbaren
Wert zu begrenzen, kann man in Serie mit der Nullanode 61 eine Zenerdiode
63
schalten.
-
In F i g. 2 ist ein Ausführungsbeispiel für die in F i g. 1 mit
2 und 8 bezeichneten Schalter abgebildet. Die Klemmen des Schalters
sind mit 261 und 262 bezeichnet. Sie sind durch einen steuerbaren Halbleitergleichrichter
21 überbrückt, dem ein steuerbarer Hilfsgleichrichter 22 über einen Löschkondensator
23 parallel geschaltet ist. Wenn zuerst der Halbleitergleichrichter 22 gezündet
ist, lädt sich der Kondensator 23
über den Verbraucher gegen ,die Batteriespannung
auf. Wenn dann der Hauptgleichrichter 21 gezündet wird, entlädt sich der
Kondensator über den Hilfsgleichrichter, so daß dieser erlischt. Beim erneuten Zünden
des Hilfsgleichrichters soll der Hauptgleichrichter 21 gelöscht werden. Dies
ist nur möglich, wenn sich der Kondensator 23 zuvor umgeladen hat. Zu diesem Zweck
ist jedem Halbleitergleichrichter eine Drossel 242, 252 über ein Ventil
241, 251 parallel geschaltet. Die Drossel und der Kondensator bilden so einen
Serienschwingkreis, so daß sich der Kondensator beim Zünden eines Halbleitergleichrichters
über einen der beiden parallelen Pfade umladen kann.
-
Der Vorteil der beschriebenen Einrichtung wird im wesentlichen durch
den aus den Elementen 8 und 9
gebildeten Wechselrichter begründet,
der eine Regelung der Zusatzspannung mit geringstem Aufwand ermöglicht. Auch gestaltet
sich die Steuerung der beiden Schalter 8 und 2 sehr einfach, auch wenn diese mit
Halbleitergleichrichtern gemäß F i g. 2 bestückt sind. Man kann beispielsweise die
Zündimpulse für die Hauptgleichrichter 21 der beiden Schalter 2 und 8
gleichzeitig
zuführen und die Lage der Löschimpulse, abhängig von dem Betrag der Abweichung der
Verbraucherspannung von dem Sollwert, verändern. Von der Richtung der Abweichung
hängt es dann ab, ob diese Impulse dem Lösch- bzw. Hilfsgleichrichter
22
des Schalter 8 (bei negativer Abweichung) oder dem Lösch- bzw. Hilfsgleichrichter
des Schalters 2 bei positiver Abweichung zugeführt werden.