DE3223409A1

DE3223409A1 - Speisesystem

Info

Publication number: DE3223409A1
Application number: DE19823223409
Authority: DE
Inventors: Huibert 1223 Hilversum Blok
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1981-06-25
Filing date: 1982-06-23
Publication date: 1983-02-24
Also published as: GB2101425B; JPS586038A; NL8103063A; US4462071A; FR2508736A1; GB2101425A

Description

2/ V.J-iJi:;:- 0^223409

N.V. Philips·Gloeilampenfabrieken PHN 10.084 "Speisesystem"

Die Erfindung bezieht sich auf ein Speisesystem, bei dem eine Eingangswechselspannung bzw. ein Eingangswechselstrom in eine Gleichspannung bzw. in einen Gleichstrom umgewandelt wird und wobei der Ausgang einer Gleichrichterschaltung über ein Glättungsfilter mit dem Ausgang des Speisesystems verbunden ist.

Bei Speisesystemen von diesem Typ tritt das Problem auf, daß an der Eingangs- bzw. Primärseite durch die Wirkung der Gleichrichterschaltung zusammen mit dem nachgeschalteten Glättungsfilter eine große Verzerrung des Stromes bzw. der Spannung auftritt.

Die Art der Verzerrung hängt dabei von dem Gleichrichtertyp (ein- oder mehrphasig) und auch von der gewählten Konfiguration des Glättungsfliters ab. Dies führt dazu, daß in dem Wechselstromkreis, dem das Speisesystem die Energie entnimmt, höhere Harmonische erzeugt werden (Netzverschmutzung) .

Namentlich auch wenn die Wechselstromquelle sich in einem großen Abstand von dem Verbraucher befindet, beispielsweise bei ferngespeisten Zwischenverstärkern oder -regeneratoren in Informationsübertragungssystemen, kann diese Verzerrung zu einer unbrauchbaren Spannungs- oder Stromform an der Stelle des Verbrauchers führen.

Die Erfindung hat nun zur Aufgabe, die Verzerrungen zu verringern und weist dazu das Kennzeichen auf, daß die

Eingangsimpedanz des Glättungsfilter für das ganze diesem

PHN 10.084

Filter angebotene Frequenzspektrum nahezu reell und konstant ist.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher beschrieben, wobei als Ausführungsbeispiel einem Transformator am Eingang der Schaltungsanordnung ein Zweiweggleichrichter mit Mittenabgriff folgt. Es zeigen

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Speisesystems,

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der restlichen auftretenden Verzerrungen an den Eingängen der Speisesysteme nach den Fig. 1 und 3,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Speisesystems,

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsgradverbesserung des Speisesystems nach Fig. 3, Fig. 5 eine Anzahl Schaltungsanordnungen, die zur Fig. 4 gehören,

Fig. 6 eine Anzahl Abwandlungen zu verwendender Glättungsfilter, : s e

In dem Speisesystem nach Fig. 1 ist I der Eingangstransformator, dessen Primärwicklung 20 an eine Wechselstrombzw. Wechselspannungsquelle anschließbar ist. Die Sekundärwicklung 21 des Eingangstransformators I ist mit den Eingangsklemmen 1 und 2 der Gleichrichterschaltung II verbunden. Zwischen der Eingangsklemme 1 und der Ausgangsklemme 14 der Gleichrichterschaltung II liegt ein gleichrichtendes Element, beispielsweise die Diode 4. Zwischen der Eingangsklemme 2 und der Ausgangsklemme 14 der Gleichrichterschaltung II liegt die Diode 5. Der Mittenabgriff 3

der Sekundärwicklung 21 des Eingangstransformators I ist

y PHN 10,084

mit der Ausgangsklemme 15 der Gleichrichterschaltung II verbunden. Das Filter III umfaßt die Drosselspule 6 und parallel dazu den Widerstand 11 und den Kondensator 7. Die Drosselspule 6 sowie der Widerstand 11 liegen zwischen der Ausgangsklemme 14 der Gleiehrickterschaltung II und der Ausgangsklemme 12 des Speisesyste»s„ Zwischen den Ausgangsklemmen 12 und 13 des Speisesystems liegt der Kondensator

Der Belastungswiderstand 8 ist ebenfalls mit den Ausgangsklemmen 12 und 15 des Speis©systsms verbunden. Die Widerstände 11 und 8 halbem einen Wiöerstandswert R. Die übrigen Elemente des Filters III haben einen derartigen Wert, daß die Beziehung s

R% LC = ψψγ* (1)

erfüllt wird „ worin L die Iiaduktivität der Spule 6 und C die Ilpazität des Kond@sasatoE*s 7 vmd t die Resonanzfrequenz des 'Filters III 1st»

Weil die Gleichrichtsrschaltuag II aa dem Ausgängen 14 und 15 mit einem sogenannt©» feöEistasten E Hetzwerk belastet wird, wird an d@B Eingang dies Sp®is©systess nur noch dadurch eine ferzerrung auftretest daß die Gleichrichterschaltung II nicht auf ideale V/eise geschaltet wird, was anhand der Figo 2 aoefa Baiser erläutert wird.» Um eine Abschätzung der Verzerrung des Eiagaagsstromes oder der Eingangsspannung Machen 2« körnen^ wird die Kingangsimpedanz als die Reihenschaltung aus zv@i antiparallelgeschalteten Dioden 4 und 5 uad einem Widerstand R entsprechend der Beziehung (1) angenommen (vgl« Fig» 2d oder Fig. 2e).

Angeschlossen an eine sinusförsige Stromquelle wird die Spannung an dieser Impedanz eine For® aufweisen^ wie diese in Fig., 2a dargestellt ist= In dieser Figur" ist OC gleich

PHN 10.084

der Schwellenspannung der beiden Dioden 4 und 5 und S gleich der Amplitude der auftretenden rein sinusförmigen Spannung an dem Widerstand R. Die auftretende Verzerrung wird nun durch den schraffiert dargestellten sinusförmigen Teil der Spannungsform verursacht. Die Amplituden a(n) der Basiswelle und die Harmonischen entsprechen der Beziehung :

a(n) = jpsp, · sin η γ- ; η = gerade-^ a(n) = O (2).

Bei einer Schwellenspannung Ct^z 0,5 V ist die Amplitude der Basiswelle gleich a(i) - 4/2"7T = 0,64 V. Eine einfache Berechnung zeigt, daß die Harmonischen-Unterdrückung an der Impedanz vorhandener Spannung der folgenden Beziehung entspricht :

/S(V) = 20 -log(E+0,64) + 20-log^S _dB (3).

Wird die Impedanz an eine sinusförmige Spannungsquelle angeschlossen, so wird der Strom, der durch die Impedanz fließt, die Form aufweisen, wie diese in Fig. 2b dargestellt ist, worin (E -oO/R der Spitzenstrom ist, der durch diese Impedanz fließt. Man kann sich den Strom entsprechend Fig. 2b aus einem rein sinusförmigen Strom verringert um einen nahezu trapezförmigen Strom aufgebaut denken, wie er in Fig. 2c angegeben ist. Die auftretende Verzenang wird nun durch den in Fig. 2c schraffiert dargestellten trapezförmigen Teil des Stromes verursacht. Die Amplituden a(n) der Basiswelle und der Harmonischen entsprechen der folgenden Beziehung :

η «* sin 2np

1 ^r '

^a(n) - Wm ^sin 1 ^r '

worin ρ = arc sin ©C/E. Eine einfache Berechnung zeigt, daß die Oberwellen-Unterdrückung des durch die Impedanz fließenden Stromes der nachfolgenden Beziehung entspricht :

G '/. vijirv ":"Yy 3223 α ο9

* ** PHN ΊΟ.084

ß(i) = 20·log (E-0,64) + 20»log -^ + 20.log

(5)

I 2np I fsin 2np j

dB

Das letzte Glied in der Beziehung (5) ist von geringer Bedeutung, solange E fj^otund η nicht zu hoch ist.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig« 3 ist die Spule 6 aus dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 durch einen Transformator 50 ersetzt. Die Primärwicklung 10 des Transformators 50 liegt zwischen der Ausgangsklesme 14 der Gleichrichterschaltung II und der Ausgangsklemmen 12 des Speisesystems. Die Punkte 31 und 32 der Sekundärwicklung 30 des Transformators 50 sind über die Dioden 33 bzw. 34 mit der Ausgangsklemme 39 einer zweiten Gleichrichterschaltung IV verbunden. Der Mittenabgriff 36 der Sekundärwicklung 30 ist mit einer dritten Ausgangsklemme 16 des Speisesystems verbunden. Parallel zu einer Spule 35 liegt ein Widerstand 38 zwischen der Ausgangsklemme 39 des Gleichrichters IV und der vierten Ausgangsklemme 17 des Speisesystems. Ein Kondensator 9 liegt zwischen den Ausgangsklemmen 16 und 17 des Speisesystems. An die Ausgangsklemmen 16 und 17 ist ein zweiter Belastungswiderstand 11 angeschlossen. Die Widerstände 11 und 38 sind von gleichem Wert R» und die übrigen Elemente des Filters V haben einen derartigen Wert, daß die Beziehung (1), in der für R nun R· gilt und L die Größe der Induktivität der Spule 35 und C die Größe der Kapazität des Kondensators 9 und f_Q die Resonanzfrequenz des Filters V ist, erfüllt wird. Durch Verwendung eines Transformators 50 zusammen mit einer zweiten Gleichrichterstufe IV mit einem zweiten Glättungsfilter V wird nach einer gewünschten Kombination der Ausgänge 16 und 17 mit den Ausgängen 12 und 13 ein größerer Wirkungsgrad erhalten als bei dem Speisesystem nach Fig. 1.

PHN 10.084

Dies wird anhand der Fig. 4 und der Fig. 5a'Ms einschließlich c näher erläutert.

In Fig. 4 ist durch die ausgezogene Linie die Form der Spannung an dem Eingang eines Konstant-R-Glättungsfilters für den Fall dargestellt, daß der Zweiweggleichrichter aus einer Stromquelle mit einem sinusförmigen Signal angesteuert wird. Der Gleichspannungsinhalt beträgt bekanntlich Vjj_C = 2/Tf χ Spitzenspannung. In dem Diagramm ist die Spitzenspannung auf einen Wert 1 festgelegt. Die gesamte Eingangsleistung des Filters in Fig. 5a beträgt ί

Die Gleichstromleistung wird in dem Belastungswiderstand Ro an dem Ausgang des Filters aufgebraucht und beträgt:

^x RS - °'⁴⁰⁵³ * ^{1/Ro (e} 8¹'⁰⁶*)·

RS
Die Wechselspannungsleistung beträgt :

^pac - fe^ -friss - °'⁰⁹⁴⁷ · ¹/^Ro (=

Diese Leistung wird in dem Widerstand R1 aufgebraucht, der an die Sekundärwicklung des Transformators 50 angeschlossen ist. Wenn das Übersetzungsverhältnis des Transformators 50 gleich 1 ist, wird die Wechselspannung an diesem Widerstand R1 in Größe und Form nahezu gleich der Wechselspannung an dem Eingang des Filters, wenn dieser Widerstand R1 einen gleich großen Widerstandswert hat wie der Widerstand Ro. Das Diagramm der Fig. 4 zeigt die Wellenform dieser Wechselspannung durch die ausgezogene Linie, wobei als Null-Linie die Linie parallel zu der X-Achse des Diagramms in der Höhe y = 2/ΤΓ gilt. Die Fläche F in dem Diagramm läßt sich wie folgt berechnen "'"

V/l.

■γ

F- ί 2

sin xd χ

PHN 10.084

-2 aresin 2/ΤΓ)

arc sin « 0,42103.

Das Gleichrichten dieser Tfeehs el spannung entsprechend Fig« 5b ergibt eine Spannung aa R1_s^ie diese in Fig. 4 durch die schraffierten Flächen 0 gegeben sind.

Der Gleiehspanmangswert läßt sich wie folgt berechnen:

Wenn nun zwischen des Gleichrichter und R1 wieder ein IConstant-R-Glättuagsf liter angeordnet wird, wie beispielsweise in Figo 1 „ τ/ird die Sleiehstrosleistung in dem Abschlußwiderstand R1 nach Fig„ 5c aufgebraucht und die Wechselstrosaleistiang (in d©a Diagraaa nach Fig. 4 in der SpanmmgswellenforM durch die Bit Puakten ausgefüllten Flächen bezeictoet) ia d@Ea Widerstand R2. R2 hat einen Wert gleich R1, während di© Werte der Spule und des Kondensators wiedergegeben i#©rdea durch die folgende Bezlehuags

1st ia Fig» 5c das Transforaator η =3 Ip so Ists

ÜbersstzungsverMltnis

die ia R1 aufgebraucht® L©istunf Ars \ 0

danns

PHN 10.08Λ

Wird diese Leistung der in der ersten Gleichrichteranordnung erhaltenen Gleichstromlejstung hinzugefügt, so wird die insgesamt erhaltene Gleichstromleistung:

^PDC ^{+ PI}DC - ¹'^{177 P}DC ^(r)·

Der Wirkungsgrad der gesamten Gleichrichterschaltung wird damit:

1,177 x 81,06 % - 95,43 % (s).

Damit dieses Zusammenfügen verwirklicht werden kann, muß die Gleichspannung am Widerstand R1 in Fig. 5c gleich der Spannung am Widerstand Ro gemacht werden. Die Spannung an Ro beträgt V_1x, = 2/1Γ. Die Spannung an kl beträgt V'jy, = 2F/TT für den Fall η = 1. Wenn nun ein Transformator-Übersetzungsverhältnis :

η » 1/F = 2,3751

gewählt wird, wird die Spannung an R1 gleich der Spannung an Ro, wobei die Widerstände R1 und R2 beide den folgenden Wert erhalten:

R1 = R2 = 1/F² χ Ro = 5,6413 Ro.

In Fig. 3 wird auf diese Weise der Wert jedes der Widerstände 38 und 11 eine Größe haben entsprechend 5,6413 x R, wenn für Parallelschalten der Klemmenpaare 16 und 17 zu 13 und 12 gewählt wird. Der sich daraus ergebende Belastungswiderstand des Speisesystems hat dann einen Wert:

4 R = 0,8494 R.

» · hf « <■ V

PHN 10.084

Das Zusammenfügen der zwei genannten Gleichstromleitungen P₇V, und P¹TV, kann auch noch auf eine andere Art und Weise erfolgen beispielsweise dadurch, daß der Strom durch den Widerstand R1 in Fig. 5c dem Strom durch den Widerstand Ro gleichgemacht wird.

TiC Der Strom durch Ro beträgt: I_DC = ^₀ -

Der Strom durch R1 beträgt: I' _DC => " jj für η = 10

Dadurcn, daß nun ein Übersetzungsverhältnis wie folgt r gewählt wird:

η » F

15

werden die Widerstände R1 und R2 beide einen Wert erhalten müssen:

R1 . R2 = F²Ro * 0,1773 Ro.

20

Der Strom durch R1 beträgt in diesem Fall: I'nr« ^ F V^^/F Ro = V_nr,/Ro β Ι-η,ρι·

Wenn R1 und Ro in Reihe geschaltet werden, entsteht nun die Konfiguration nach Fig. 3, wenn in dieser Figur die Klemme 16 mit der Klemme 12 verbunden wird. In Fig. werden auf diese Weise die Widerstände 38 und 11 je eine Größe haben:

30

0,1772 χ R

und der Belastungswiderstand des Speisesystems mit den Ausgangsklemmen 17 und 13 beträgt dann:

35

Rs - 1,1773R.

10.034

Bisher wurden keine Berechnungen unter Berücksichtigung von Leistungsverlusten, die in dem Transformator 50, in den Gleichrichterelementen 33 und 34 und in der Spule auftreten können, gemacht. Zusammenfassend lassen sich diese Verluste als nicht nützlich verwendbarer Widerstand r in Reihe mit beispielsweise dem Mittenabgriff der Sekundärwicklung des Transformators 50 betrachten. Die dadurch notwendige Abweichung von dem gegebenen theoretischen Transformatorverhältnis und die Änderung in dem Wirkungsgradgewinn lassen sich mit guten Fachkenntnissen auf einfache Weise berechnen.

Die Eingangsimpedanz des Filters III in Fig. 3 ist in diesen zwei Fällen jeweils gleich der Eingangsimpedanz des Filters III in Fig. 1 geblieben. Bei gleichen Eingangsleistungen wird jedoch die Ausgangsleistung des Speisesystems nach Fig. 3 gegenüber der Ausgangsleistung des Speisesystems nach Fig. 1 eine Erhöhung aufweisen, wie diese in den Beziehungen (r) und (s) gegeben ist.

In Fig. 6 sind eine Anzahl Filter von dem Konstant-R-Typ dargestellt, die in dem Speisesystem nach der Erfindung verwendbar sind. Das Filter III aus dem Speisesystem nach Fig. 1 oder das Filter V aus dem Speisesystem nach Fig.

kann durch eines der Filter nach den Fig. 6a, 6b, 6c oder 6d ersetzt werden. Davon sind Fig. 6a und 6b reine Konstant-R-Netzwerke, während Fig. 6c bzw. 6d durch Anwendung erlaubter Vereinfachungen davon abgeleitet sind. Es sei bemerkt, daß das reine Konstant-R-Verhalten meistens nicht erforderlich ist, weil ausschließlich ein Widerstand-R-Eingang für die Frequenzen, die von dem Gleichrichter abgegeben werden, erwünscht wird. Im allgemeinen ist f = 0 und f ^ 2x die Basisfrequenz des Wechselstromsignals am Eingang des Speisesystems.

. .

PHN 10.084

Im Grunde ist die Verwendung von Filtern nach höherer Ordnung als Glättungsfilter hinter dem GMchrichter möglich. Aus praktischen Erwägungen scheint dies jedoch teuer, wegen der hinzuzufügenden zusätzlichen Elemente.

Das Filter III aus dem Speisesystem nach Fig. 3 oder das Filter V aus dem Speisesystem nach Fig» 3" kann durch eines der Filter III nach den Fig» 6e oder 6f ersetzt werden, wobei gegenüber d©n Figo 6a bzw. 6b die Spule 60

ίο bzw. der Widerstand 11 disFcti ©inen Transformator 50 ersetzt sind«, Die Sekundärwicklung des Transformators 50 ist dabei wieder mit a@m Gleichrichter IV verbunden. Auch hier ist die Verwendung von Filtern noch höherer Ordnung möglich.

Die restliche Eaargi© (iss. Spaassiaagswelleiafoni in dem Diagramm nach Fig. 4 durch die punktierten Flächen bezeichnet) wird ia des Speisesystem nach Fig. 3 in dem Widerstand 38 aufgebrauchte Dadurch» daß unter Fortlassung des Widerstandes 38 wieder die Spule 35 durch einen Transformator ersetzt wird, körnen auch diese restlichen 4,57 % der Eingangsleisttaag des Filters III ausgenutzt werden, beispielsweise durch Erhöhung a±es®r Spannung mittels des Transformators «ad/oder ctoch ©in® gleichrichtende SpannungsmultipliziersoJäaltung beispielsxteis© gum Erzeugen der hohen Spannung, die zum Spei sea a@r Ptiotodiodenschaltungen in Empfängern in optischen Übertragungssystemen notwendig ist.

so Obenstehend wurde b@r©eha©t„ wie die Gleichstromenergie, die an den Ausgangsklemmen 16 und 17 des Speisesystems nach Fig. 3 verfügbar ist_s mit der Gleichstromenergie, die an den Ausgangsklemmen 12 und 13 dieses Speisesystems verfügbar ist, gekoppelt «ad susaeengefügt werden kann, damit auf diese Weise ein höher Wirkungsgrad-des Speisesystems erhalten wird«

Diese Kopplung ist jedoch nicht notwendig und wird namentlich nicht angewandt, wenn eine zweite Gleichstromquelle erwünscht ist mit einer anderen Spannung als die, die zwischen den Ausgangsklemmen 12 und 13 gemessen wird. Im Grunde ist jede Spannung zwischen den Ausgangsklemmen 16 und 17 möglich, und zwar durch eine richtige Wahl des Übertragungsverhältnisses des Transformators 50. Dabei soll auf ein ungeändertes Funktionieren des Filters III geachtet werden, und zwar dadurch, daß der durch den Transformator 50 in das Netzwerk des Filters III eingeführte Widerstand immer dem Wert des Widerstandes 8 entspricht. Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Speisesystems ist möglich, wobei der Transformator aus Fig. 3 nicht an einen* Gleichrichter IV und an ein Filter V angeschlossen ist, sondern unmittelbar an einen Wechselstromenergieverbraucher VI mit einer konstanten reellen Eingangsimpedanz beispielsweise für Heizung oder Beleuchtung.

Claims

PÖSf 10.034

PATENTANSPRÜCHE:

1J Speisesystem mit Gleichrichtung einer Eingangswechselspannung bzw. eines Eingangswechselstromes, wobei einer Gleichrichterschaltung (II) ein Glättungsfilter(III)folgt, dadurch gekennzeichne1 ₁ daß die Eingangsimpedanz des Glättungsfliters (III) für das ganze diesem Filter (III) angebotene FrequenzSpektrum nahezu reell und konstant ist.
2. Speisesystem nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (III) ein Konstant-R-Netzwerk ist. *
3. Speisesystem nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (III) die Reihenschaltung aus einer Spule (6) und einem Kondensator (7) umfaßt, daß der Kondensator (7) zusammen mit einem Widerstand (8) zwischen den Ausgangsklemmen (12, 13) des Speisesystems liegt und daß die Spule (6) durch einen Widerstand (11) überbrückt ist (Fig. 1).
4. Speisesystem nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Spule des Filters (III) durch die Primärwicklung (10) eines Transformators (50) gebildet wird, dessen Sekundärwicklung (30) über die Reihenschaltung aus einer Gleichrichterschaltung (IV) und einem Filter (II) mit dem Ausgang (16, 17) des Speisesystems verbunden ist (Fig. 3).
5. Speisesystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet. daß das Filter (III) ein Filter höherer Ordnung ist (Fig. 6).