DE1244929B

DE1244929B - Device for supplying a consumer with constant voltage via a periodically operated switch

Info

Publication number: DE1244929B
Application number: DE1962S0082465
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Gustav Voss
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1962-11-16
Filing date: 1962-11-16
Publication date: 1967-07-20

Description

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.Device for supplying a consumer with constant voltage via a periodically operated switch The invention relates to power supply systems with a backup battery, which takes over the supply of the consumer, if that AC power fails, which normally feeds the consumer via a rectifier provided. This battery is charged when powered by the mains. When fully charged its terminal voltage is higher than the required consumer voltage. For longer Battery drive, however, it sinks below this value. Since this caused Changing the voltage at the consumer is not permitted in many cases. Often have to even very short voltage changes can be avoided.

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.Systems are already known in which between the battery and the consumer a machine converter that has an additional additively or subtractively effective Supply voltage of such magnitude that the load voltage remains constant. Such Systems have proven themselves well. However, the relatively long start-up time is often a problem.

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.It was further proposed that the rotating converter be replaced by an inverter to replace the static means, e.g. B. with controllable semiconductor rectifiers, work. These inverters generally work in push-pull mode. It is but also already known, single-ended inverters for this purpose, e.g. B. tube generators, to use. These usually consist of an input resonant circuit, whose Coil is designed as a transformer, which apart from a feedback winding also carries a secondary winding. The alternating voltage occurring on this secondary winding was z. B. converted into a DC voltage with the help of a two-way rectifier and used to increase the DC voltage feeding the generator.

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.However, the output voltage of such inverters cannot be regulate without considerable additional effort. In addition, such an inverter can its output voltage by means of a rectifier connected to the battery and consumer is in series, must be rectified, only bring about an increase in voltage. Such arrangements can therefore not compensate for the differential voltage directly occurs after turning on a fully charged battery.

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.For this reason and also to reduce the effort required is to regulate the output voltage of an inverter directly, also has a DC voltage regulator has already been placed between the battery and the consumer the help of which a voltage can be set on the consumer that is lower is than the supply voltage. You have between the battery and the DC voltage regulator still introduced a voltage supplied by an unregulated inverter which is also fed with the battery voltage.

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.For this purpose, transistors are often used as direct current regulators, which be controlled continuously or as a switch. When using a periodic operated switch as a DC regulator, it is necessary between to place the switch and the load storage elements, which smooth the load voltage cause. As a rule, they consist of a series throttle and one for the consumer parallel capacitor. Parallel to the one consisting of a choke and a consumer Series connection is usually a valve that is polarized so that even when the switch is open, a current driven by the EMF of the choke passes through the consumer can flow. In this context it is also known in place a transistor operated as a switch one of two controllable rectifiers and a quenching capacitor to use existing arrangement, in general is called a chopper.

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.The invention relates to a device for feeding a consumer with constant voltage ,. which has a smoothing device with a zero anode and a periodically operated switch to a DC voltage source, preferably one Battery, connected, is temporarily charged to the maximum permissible voltage will.

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.With such an arrangement, the load voltage can be independent of fluctuations in the supply voltage, e.g. B. from the state of charge of the battery, with a lot keep it constant with little effort, that the consumer voltage is free of harmonics and voltage peaks if, according to the invention, between the Switch and the smoothing device is placed a valve to which the secondary winding a transformer is connected in parallel via an additional valve, and if the primary winding of this transformer to the DC voltage source via a second switch is connected and the switches are operated periodically, namely the first when the voltage at the consumer is greater, and the second when it is less than the Setpoint is. The switching ratio of the switches depends in a known manner the size of the control deviation.

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.Electronic switches, such as, for example, are preferably used as switches controllable semiconductor rectifiers, used. Each switch can be used here z. B. represent with the help of two controllable semiconductor rectifiers that over a quenching capacitor are connected in parallel and which alternate periodically Ignition pulses are supplied, the interval between which depends on a manipulated variable.

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.An exemplary embodiment is shown in FIG. 1 shown. The consumer 5 is connected to the battery 1 via a smoothing device 4, consisting of a choke 41 and a capacitor 42, a valve 31 and a switch 2.

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. 9 denotes a transformer, the primary winding 91 of which is connected in parallel to the battery 1 via a second switch 8 and the secondary winding 92 of which is parallel to the valve 31 via a half-wave rectifier 32.

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«.As mentioned, the symbolically represented switches preferably each consist of two controllable semiconductor rectifiers connected in parallel via a capacitor. The control commands for the switches, e.g. B. the ignition pulses for the semiconductor rectifier are supplied by a controller 7 to which the actual value voltage U prevailing at the consumer 5 is supplied as an influencing variable. The controller is designed so that it periodically opens and closes the switch 2 when the voltage U, is greater than the prescribed target value. The opening time of the switch depends on the size of the deviation of the consumer voltage from the setpoint. The battery voltage is thus "chopped up" by switch 2.

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.Now, however, only the mean value of the voltage applied to consumer 5 should change. For this purpose, the LC element 41, 42 acting as a filter element and energy store is provided. When the switch 2 is open, the throttle 41 maintains the flow of current through the consumer 5 via the neutral anode 43 as a result of the magnetic energy stored in it.

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.If, on the other hand, the consumer voltage falls below the desired setpoint value, then the regulator 7 controls the switch 8 in a manner similar to that previously used the switch 2. The primary winding 91 of the transformer 9 is thereby periodically connected to the battery. This creates alternating voltage pulses in the secondary winding 92 , the mean value of which largely depends on the switch-on duration. These voltage pulses are introduced into the consumer circuit via the half-wave rectifier 32. If the voltage appearing on winding 92 has the indicated polarity and is greater than the threshold voltage of valve 31 , then this valve 31 blocks, and the voltage on secondary winding 92 is additively in the consumer circuit and is generated by choke 41 and capacitor 42 smoothed.

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.It is sometimes advisable to connect a neutral anode 61 in parallel to the primary winding 91 of the transformer 9 in order to facilitate the reverse magnetization of the transformer core. When operating such a system with a semiconductor rectifier switch, as shown in FIG. 2, it is, however, advantageous for the charge reversal of the quenching capacitor if a certain reverse magnetization voltage occurs on the transformer winding. In order to limit this to a useful value, a Zener diode 63 can be connected in series with the zero anode 61 .

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.In Fig. FIG. 2 is an embodiment for the in FIG. 1 shown with 2 and 8 labeled switches. The terminals of the switch are labeled 261 and 262. They are bridged by a controllable semiconductor rectifier 21 to which a controllable auxiliary rectifier 22 is connected in parallel via a quenching capacitor 23. When the semiconductor rectifier 22 is ignited first, the capacitor 23 is charged against the battery voltage via the consumer. When the main rectifier 21 is then ignited, the capacitor discharges through the auxiliary rectifier, so that it goes out. When the auxiliary rectifier is ignited again, the main rectifier 21 should be extinguished. This is only possible if the capacitor 23 has previously been reloaded. For this purpose, a throttle 242, 252 is connected in parallel via a valve 241, 251 to each semiconductor rectifier. The choke and the capacitor thus form a series resonant circuit so that the capacitor can recharge itself via one of the two parallel paths when a semiconductor rectifier is ignited.

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.The advantage of the device described is essentially due to the inverter formed from the elements 8 and 9 , which enables the additional voltage to be regulated with very little effort. The control of the two switches 8 and 2 is also very simple, even if they are operated with semiconductor rectifiers according to FIG. 2 are equipped. For example, the ignition pulses for the main rectifier 21 of the two switches 2 and 8 can be fed in at the same time and the position of the extinguishing pulses can be changed depending on the amount of deviation of the consumer voltage from the nominal value. It then depends on the direction of the deviation whether these pulses are fed to the extinguishing or auxiliary rectifier 22 of the switch 8 (in the case of a negative deviation) or to the extinguishing or auxiliary rectifier of the switch 2 in the event of a positive deviation.

Claims

Claim: Device for supplying a load with constant voltage, which is connected via a smoothing device with zero anode and a periodically operated switch to a DC voltage source, preferably to a battery, which is temporarily charged to the maximum permissible voltage, characterized in that between the switch (2) and the smoothing device (4) is a valve (31) , to which the secondary winding (92) of a transformer (9) is connected in parallel via an additional valve (32) that the primary winding (91) of the transformer (9 ) is connected to the DC voltage source via a second switch (8) and that the switches are actuated periodically, namely the first when the voltage at the consumer is greater and the second when it is less than the setpoint value. Considered publications: German Auslegeschriften Nos.1021948, 1040 676, 1091619, 1121692, 1122148; Austrian patent specification No. 201726; U.S. Patent No. 2,897,433; "Funk" (1939), 22, pp. 555-556.