DE3830460A1 - Circuit arrangement for supplying an electrical load from an AC voltage mains - Google Patents
Circuit arrangement for supplying an electrical load from an AC voltage mainsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Speisung eines elektrischen Verbrauchers aus einem Wechselspannungsnetz gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a circuit arrangement for feeding an electrical consumer from one AC network according to the preamble of the claim 1.
Eine solche Schaltungsanordnung kann beispielsweise in einem Stromversorgungsgerät oder einem Ladegerät für Akkumulatoren angewendet werden.Such a circuit arrangement can, for example, in a power supply or a charger for Accumulators can be applied.
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".Power supply devices or chargers with outputs of more than 1.5 kW should draw a sinusoidal current from the supplying AC voltage network with the smallest possible phase shift between current and voltage. This can be achieved with the help of step-up chopper in a DC link. An almost sinusoidal current is drawn from the AC voltage network when the DC voltage produced to supply a load or the DC voltage of a DC voltage intermediate circuit is higher than the peak value of the AC voltage. It is also known to operate several (number n ) step-up converters pa in parallel in power supply units and chargers of higher power and to control them offset by a control angle of 360 ° / n. This technology is also used in high-performance locomotives. J. Körber describes in "Electrical Bahneny", Vol. 95, (1974), H. 3, pages 52 to 59, in particular page 56, last sentence, the offset control with "offset clocks".
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.An adjustment of the output voltage to that of the consumption required voltage and also required electroplating cal separation is in known arrangements by a connected to the DC voltage intermediate circuit Inverter with transformer reached.
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.The disadvantage of such an arrangement that the be required energy twice, namely in the step-up converter and must be implemented in the inverter, each time Switching and forwarding losses occur.
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.On this basis, the invention is based on the object de, a circuit arrangement for supplying an electrical the consumer from an AC network give, which leads to an improved efficiency and with an approximately sinusoidal current draw from the change voltage grid.
Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeich nende Merkmale gelöst.This task is followed in a circuit arrangement the preamble of claim 1 by the characterizing characteristics solved.
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.The circuit arrangement according to the invention contains advantageously no inverter, but has galvanic isolation, and enables an on fit to the consumer voltage. Because the energy only once, namely in the step-up converter, is implemented the efficiency compared to known arrangements better. In addition, the expenditure on components is lower.
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.The circuit arrangement according to the invention is a Wei development of a known circuit arrangement with Step-up converters and suction throttle, as in DE-OS 26 52 275 in Fig. 24 and page 49 of the description is given, but the function of the suction throttle of the primary winding of a transformer is fulfilled, with which the energy from the DC link is transformed into a consumer circuit.
Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung darge stellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is based on Darge in the drawing presented embodiments explained in more detail.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung für ein Stromversor gungsgerät gemäß dem Stand der Technik, Fig. 1 shows a circuit arrangement for a power sup ply unit in accordance with the prior art,
Fig. 2 eine als Dual-Steller mit Saugdrosselspule bekannte Schaltungsvariante gemäß dem Stand der Technik, Fig. 2 is known as a dual-controller with Saugdrosselspule circuit variant in accordance with the prior art,
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit Dual-Steller und Transformator, Fig. 3 shows a circuit arrangement of the invention with dual actuator and transformer,
Fig. 4 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit zusätzlichem Entladekreis für einen Kondensa tor im Gleichspannungszwischenkreis und Fig. 4 shows a circuit arrangement according to the invention with an additional discharge circuit for a capacitor in the DC intermediate circuit and
Fig. 5a, b Betriebsweisen des Stellers gemäß Fig. 3. Fig. 5a, b modes of operation of the actuator of 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. 1 shows a known circuit arrangement of a power supply device for sinusoidal Netzstromentnah me and galvanic isolation using a Hochfre frequency transformer 13th An AC voltage source, for example an AC voltage network 1, feeds a bridge rectifier 3 with diodes 2 . At the positive pole 4 of the rectifier output, two choke coils 5 a , 5 b are connected, which belong to a step-up converter 6 a , which also contains two actuator transistors 7 a , 7 b and two diodes 8 a , 8 b . A series circuit of two intermediate circuit capacitors 9 a , 9 b is connected in parallel to the output of the step-up converter 6 a . This is followed by a half-bridge inverter 10 , which contains two switching transistors 11 a , 11 b connected in series and, in each case, parallel-connected reverse current diodes 12 a , 12 b , and the high-frequency transformer 13 , which on the one hand is connected to a center 14 between the capacitors 9 a , 9 b and on the other hand is connected to a connection point 15 between the transistors 11 a , 11 b and transmits the energy into a secondary circuit (consumer or load circuit), not shown.
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. Fig. 2 shows a known circuit variant, which differs from the circuit shown in Fig. 1 by a modified version of the step-up converter. The other circuit parts, ie rectifier 3 , capacitors 9 a , 9 b and inverter 10 are identical to those of FIG. 1. In the variant 6 b of the step-up converter shown, instead of the two choke coils 5 a , 5 b , which in FIG a suction throttle valve 16 and a smoothing reactor 17 are illustrated. 1 are arranged. If you compare the load on the smoothing inductor 17 with that of the two inductors 5 a , 5 b , it can be seen that the smoothing inductor 17 must carry the entire current, but is only operated at half the voltage and at twice the frequency.
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.In Fig. 3 shows a circuit arrangement of the invention is shown, of the known arrangement shown in FIG. 2 goes out, except that the inverter circuit is omitted 10th In variant 6 c of the step-up converter according to the invention, a transformer 18 is used instead of the suction choke 16 , the primary winding 19 of which has a center tap and has the function of a suction choke as long as no power is drawn from the secondary winding 20 of the transformer 18 . With the transformer 18 , energy is transferred to the secondary circuit. On the secondary side, a rectifier teranordnung 21 can be connected in a known manner to the secondary winding 20 with center tap for feeding egg nes consumer 22nd In the intended mode of operation of the step-up converter 6 c , the two adjusting transistors 7 a and 7 b are alternately phase-shifted by 180 °, the duty cycle of a transistor being in each case above half a period or equal to half a period ( ω t = 180 °). The water switching operation of transistors 7 a and 7 b is shown in Fig. 5a. There, the current I of the Transisto ren 7 a and 7 b depending on the control angle t on. Since the duty cycle of transistors 7 a and 7 b is longer than half a period, phases Ph1 result in which both transistors 7 a and 7 b conduct current.
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.If the two actuator transistors 7 a and 7 b of the step-up converter 6 c are conductive, current flows from the network 1 via the rectifier 3 and the smoothing inductor 17 and both partial windings of the primary winding 19 of the transformer 18 . After switching off a transistor, for example transistor 7 a , diode 8 b takes over the current, for example. Then applied to the capacitor voltage U d 9 around the entire primary winding 19, since the capacitor 9 via the diode 8 and the transistor b 7 b in parallel with the primary winding 19 is connected. The voltage of the primary winding 19 is transformed into the secondary winding 20 . If - in the case of the circuit shown with a center tap on the secondary winding 20 of the transformer 18 - half the secondary voltage of the transformer 18 exceeds a voltage U s at the consumer 22 , a current flows to the consumer 22nd In the capacitor 9 flows when switching off the transistor, for example the transistor 7 a , only the energy which is stored in the stray ductility of half the primary winding.
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).In Fig. 5b, an operating state is shown, which occurs when the duty cycle of transistors 7 a and 7 b is less than half a period. Then Tre th phases Ph2 on, in which none of the transistors 7 a or 7 b conducts current. In this case, the current flows through the diodes 8 a and 8 b in the capacitor 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. Fig. 4 shows an advantageous way to reduce harmonics conditions in the mains current. A variant 6 d of the step-up converter is shown. The other circuit parts not shown in FIG. 4, that is to say the rectifier 3 , capacitor 9 and the secondary circuit 21 , 22 correspond to those in FIG. 3.
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.Variant 6 d of the step-up converter contains, in addition to the circuit arrangement shown in FIG. 3, a series connection of an additional choke coil 23 and an electronic switch, for example transistor 24 , the choke coil 23 being connected to the positive pole 4 at the input of the step-up converter 6 d and the transistor 24 is connected to the positive pole on the capacitor 9 . In addition, a freewheeling diode 25 is connected to the junction between inductor 23 and transistor 24 , the second connection of which is connected to the negative pole of the step-up converter. The transistor 24 is driven in such a way that it periodically connects the capacitor 9 to the positive pole 4 . After blocking the transistor 24 , the freewheeling diode 25 conducts the current from the negative pole. The additional choke coil 23 is then parallel to the AC network 1 via a conductive pair of diodes of the rectifier 3 .
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.With a suitable control or regulation of the transistor 24 , harmonics in the network can be reduced. A pulse width control with regulation of the pulse width is suitable for this. For this purpose, the actual value of the harmonic content of the mains current is measured and compared with the sinusoidal setpoint. Depending on the deviation, the pulse width and thus the on time of the transistor 24 is changed.
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| DE3830460A DE3830460A1 (en) | 1988-09-08 | 1988-09-08 | Circuit arrangement for supplying an electrical load from an AC voltage mains |
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