DE2239901A1

DE2239901A1 - Konstantstromversorgung

Info

Publication number: DE2239901A1
Application number: DE2239901A
Authority: DE
Inventors: Thomas E Beling
Original assignee: Sigma Instruments Inc
Current assignee: Sigma Instruments Inc
Priority date: 1972-03-03
Filing date: 1972-08-14
Publication date: 1973-09-06
Also published as: GB1393167A; CH562531A5; US3767998A

Description

Hans-Heinrich Wilfiatli u_e

Pfestfedi, Ε32Γ V/pf

Klaus Seifet ■ ««mm» sw»

TelEgranunidressBs YMiPATENT" PATENTANWÄLTE

223990

SIGMA DfSTRIIMENTS, INC.

tfQ» Pearl Street, Bräintree,

Massachusetts» U. S. A.

KQNSTAHTSTRGMVERSORGTJNG

Priorität vom 3j, März 1972 in USA_t Serial No. ZJI,666

Diese Erfindung bezieht sich auf geregelte Stromversorgungen und insbesondere auf KonstantStromversorgungen.

Auf bestimmten Gebieten, wie z.B. dem Antrieb von Schrittmotoren, ist es erwünscht, einen von einer Iieistungsquelle gelieferten Konstantstrom zu haben. Dieser wird gewöhnlich vermittels eines einfachen Reihenwiderstandes oder elektronisch durch Zerhacken, d*h. zeitlich moduliertes Abschalten, erreicht. Reihenwiderstände verwendende Versorgungen sind sehr unwirtschaftlich. Das elektronische Zerhacken arbeitet oft gut, aber gewisse praktische Probleme entstehen, wenn man Schrittschaltmotoren über einen weiten Geschwindigkeitsbereich betreiben will»

Es ist daher Aufgabe dieser Erfindung, die genannten Nach» teile zu überwinden und verbesserte Energieversorgungen zu schaffen* - 2 -

PoM*fc«4. EranWiirt/Miltt W6S Bub Dtetdati Buk AG, WfetBtdra, Kbete-Nr;i76eo?

Gemäß einigen Merkmalen der Erfindung werden diese Probleme dadurch überwunden, daß eine einseitig gerichtete Spannung ■von einer Wechselquelle mit Gleichrichter erzeugt wird. Steuereinrichtungen im Gleichrichter schalten diesen ein und aus· Stromabtasteinrichtungen am Ausgang des Gleichrichters erzeugen einen Signalwert, der vom Wert des aus dem Gleichrichter austretenden Stromes abhängt. Zeitablenkungsschaltmittel erzeugen ein Zeitablenksignal mit einer gegebenen Periode, welches sich auch in der Periode verändern kann. Vergleichsmittel sprechen auf die Zeitablenkschaltmittel und die Stromabtastmittel zum Vergleich der momentanen Signalniveaus an und sind mit den Steuermitteln verbunden, um diese zu zwingen, den Gleichrichter für den Rest jeder Periode nach jeder Ze iytinzus ehalten, wenn eines der Signale zum andern eine vorbestimmte Beziehung trägt. Auf diese Weise verhält sich die Vergleichseinrichtung wie ein Spannungs-Zeitumwandler.

Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung weist der Gleichrichter eine GJetchrichterbrücke und KondensatorxJ.ltermxttel auf. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung bilden die Steuermittel einen Teil der Brücke und weisen einen Thyristor auf*

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung setzt sich die Brücke aus vier Armen zusammen, von denen zwei entsprechende Tyristoren aufweisen und von denen zwei entsprechende Dioden aufweisen. Die Vergleichseinrichtung triggert die Tyristören

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zu jeder Zeit, wenn eines der Signale zum anderen eine vorbestimmte Beziehung zeigt.

Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung zwingt die 'Vergleichseinrichtung das Steuermittel, den Gleichrichter jedesmal anzuschalten, wenn das Zeitablenkungssignal den Signalwert überschreitet.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung weist die Brücke eine Eingangseinrichtung zum Ansprechen auf eine gegebene Leistungswellenform auf, und der Zeitablenkungskreis weist Wellenformmittel zur Erzeugung eines Zeitablenkungssignals auf, welches in der Wechselrate mindestens einem Teil der gegebenen Leistungswellenform entspricht.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung hat die gegebene Leistungswellenforra eätxnj&steigenden Anfangsteil und einen abfallenden zweiten Teil. Die Wellenformeinrichtung erzeugt eine Zeitablenkung, die in der Rate des Wechsels dem zweiten Teil entspricht.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung weist die Zeitablenkungsschalteinrichtung eine Wellenformerzeugungseinrichtung für die Erzeugung einer zyklischen Wellenform auf, die über eine halbe Periodendauer konstant bleibt und danach für die restliche Hälfte der Periodendauer Jedes Zyklus schneller ansteigt*

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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung bildet die Wellenform die ansteigenden Teile einer gleichgerichteten positiv gespannten oder geblockten, im Negativen verlaufenden Völlwellen-Sinuskurve·

Nach einem weiteren Merkmal erzeugen Diodenmittel eine gleichgerichtete, im Negativen laufende, positiv geblockte Vollwellenform, und eine Schalteinrichtung schafft die Verbindung zu der Diodeneinrichtung zur Verhinderung der Erzeugung des abfallenden Teils der positiv geblockten, gleichgerichteten vollen Wellenform·

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindjiung shunten Schaltmittel den abfallenden Teil der positiv geblockten, gleichgerichteten vollen Wellenform zur Erde und lassen den Übrigen Teil der Wellenform durch·

Nach anderen Merkmalen der Erfindung weist die Schalteinrichtung einen Schalter auf, der über die Diodeneinrichtung und Spannungserzeugungselnrichtung verbunden ist, um den Schalter während des abfallenden Teils der positiv geblockten, vollen gleichgerichteten Wellenform anzuschalten und den Schalter während des ansteigenden Teile der positiv geblockten, vollen gleichgerichteten Wellenform abzuschalten. Eine zweite Diodeneinrichtung erzeigt ein gleichgerichtetes Vollwellenpotential· Shunteinrichtungen schalten über dem gleichgerichteten vollen Wellenpotential· Klemmoder Blockeinriohtungen blocken das gleichgerichtete Vollwellenpotential negativ und schalten es an die Shuntein-

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richtung, um diese bei der Spitze jeder gleichgerichteten Vollwellenform anzuschalten· Die Shunteinrichtung weist einen Thyristor auf. Der Schalter weist einen Transistor auf· Die Thyristoren sind über den Basisemitterkreis des Transistors und die Diodeneinrichtung über dem Kollektoremitterkreis des Transistors geschaltet« Der Ausgang des Transistors triggert die Thyristoren in der Brücke.

Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung weisen die Stromabt as t einrichtungen Vorspanneinrichtungen auf, um den Signalwert um ein vorbestimmtes Vorspannpotential vorzuspannen·

Gemäß der Erfindung bildet die Vergleichseinriohtung eine atromabhängige Spannungs-Zeit-Umwandlungsschaltung, die die Thyristoren in der Brücke zu Zeiten triggert, welche einen geeigneten Spannungsauegang erzeugen, um den speziell erzeugten Strom zu korrigieren.

.Aufgrund dieser Merkmale ist es möglich, die Spannung kontinuierlich in Abhängigkeit von dem Ausgangsstrom einzustellen. Diese Spannungseinstellung wird durch Triggern der Thyristoren in der zweiten Hälfte jedes Halbzyklus erreicht, so daß die über den Kondensator angelegte Spannung in Abhängigkeit von dem gewünschten Strom gesteigert oder vermindert werden kann·

Auf diese Weise reicht die zur Last, z.B. einem Schrittschaltmotor, geführte Spannung nur aus, um den erforderlichen

Strom fließen zu lassen. ^: ■■ ^: _ ^ ^ ■■

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Xn einem typischen Hochleistungs-Schrittmotor sind die Spulenimpedanzen recht niedrig (in typischer Weise 1 Ohm oder weniger). Somit ist auch der Spannungsabfall Über der Wicklung bei Geschwindigkeit O niedrig· Bei An em

kann
typischen Fall/ein 0,3 Ohm-Motor 10 A Strom erfordern, so daß der Spannungsabfall 3 Volt beträgt· Bei hoher Geschwindigkeit ist die induktive Reaktanz bzw* der Blindwiderstand der Windungen hoch, so daß die erforderliche Spannung auch hoch ist. Unter diesen Umständen liefert die Versorgung die erforderliche Spannung bei hohen Geschwindigkeiten und hält einen konstanten Strom. Diese Betriebsart setzt dann die Motorspannung bei dem für eine gegebene Geschwindigkeit erforderlichen Wert und nicht mehr. Diese Tätigkeit beseitigt tatsächlich die Probleme der mechanischen Resonanzfrequenz, die bei konventionellen Schrittmotorversorgungssystemen beobachtet weilen, in denen die angelegte Spitzenspannung (und somit die Stromrate des Anstiege in den Windungen) dieselbe bei allen Frequenzen ist. Bei solchen konventionellen Systemen führt die Stoßerregung des Rotas auf jedem Impuls zu einer Rotoroszillation· Wenn die Impulsserie in Beziehung zu der natürlichen Resonanzfrequenz des Rotas gesetzt wird, ist es möglich, Bereiche aufzudecken, wo der Betrieb des Systems unregelmässig ist. Die Spannungsprogrammierung beseitigt tatsächlich diese Art von Problem.

Wenn Konstantstromantrieb dieser Art in Verbindung mit einem Paar Traneistorbrücken verwendet wird, gestattet er die Ver-

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wendung aller Motorwindungen, während ein hoher Wirkungsgrad in dem Versorgungssystem gehalten wird. Dies wird insbesondere bei Hochleistungsmotoren bedeutsam, wo der konventionelle Strombegrenzungswiderstand leicht 1000 Watt pro Motor verzehren kann·

In einem System, wo die Geschwindigkeit von einer niedrigen zu einer maximalen und zurück zur niedrigen Geschwindigkeit programmiert und dann zu 0 wird (typisch für Werkzeugmaschinensteuerung), stellt die Spannungspro grammxeitng sicher, daß der Wert des Überschwingens des Endschrittes minimal gehalten wird.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglxchkeiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Es zeigern

Fig. 1 ein Blockdiagramm unter Darstellung einer Stromversorgung mit Merkmalen der Erfindung,

Fig. 2 ein Spannungszeitdiagramm unter Darstellung der Eingangsspannung zur Versorgung in Fig. 1,

Fig. 3 ein Spannungszeitdiagramm unter Darstellung der ungefilterten und gefilterten Ausgangsspannungen der Versorgung in Fig. 1_S

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Fig. h ein Spannungszeitdiagramm unter Darstellung der stromabhängigen abgetasteten Spannung in der Versorgung der Fig. 1,

Fig. 5 ein Lpainungszeitdiagramm unter Darstellung der in Fig. 1 erzeugten Zeitablenkspannung,

Fig. 6 ein Spannungszeitdiagramm unter Darstellung der Vergleichsausgangsspannung in der Vergleichseinrichtung der Fig. 1,

Fig. 7 ein Spamungszeitdiagramm des Ausgangs eines Iinpulsgenerators in der Versorgung der Fig. 1,

Fig. 8 ein detailliertes Schaltdiagramm der Versorgung in Fig. 1,

Fig. 9 ein Spannungszeitdiagramm unter Darstellung einer in den Schaltkreisen der Figuren 1 und 8 eazeu gten Wellenform und zur Erzeugung der Zeitablenkspannung der Fig. 5»

Fig« IO und 11 Wellenformen, die auch in dein Schaltkreis der Fig. 1 und 8 zur Erzeugung der in Fig. 5 dargestellten Ablenkspannung erzeugt sind,

Fig. 12 ein Blockdiagramm unter Darstellung einer anderen Energieversorgung mit Merkmalen gemüß der Erfindung,

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Fig. 13 ©in Spannungsdiagramm unter Darstellung der Eingangsspannung einer Phase zur Versorgung in Fig. 12 und

Fig. 14 ein Spannungszeitdiagramm unter Darstellung der ungefilterten und gefilterten Ausgangsspannungen der Versorgung in Fig. 12.

In Fig. 1 vergrößert oder verkleinert ein Transformator 10 die Spannung aus einer Gleichstroraleitung 12 auf einen Wert, der höher als derjenige ist, der für den Betrieb der erwünschten Last benötigt ist, die in dieser Ausführungsform ein Schrittschaltmotor ist, und zwar bei dem gewünschten konstanten Strom I. Fig· 2 stellt den Ausgang des Transformators 10 dar. Eine SCR(siliciumgesteuerte Gleichrichter)-Diodenbrücke lh richtet den Ausgang des Transformators 10 gleich, um eine Vollwellenausgangsspannung zu bringen, die, wäre sie ungefiltert, eine Form, wie durch Kurve 15 in Fig. gezeigt, hätte. Während jeder Halbwelle ist die Brücke Ik zur Leitung nur nach einer vorbestimmten Zeitdauer getriggert, die von der Ausgangslast abhängt.. Ein Kondensatorfilter 16 filtert die Brückenausgangsspannung und legt sie über einen Stromabtastwiderstand 18 an eine Last. Die gefilterte Spannung bietet die Wellenform 17 in Fig. 3·

Der Stromabtastwiderstand 18 ist in der negativen oder Erd-

■ -j Anleitung vom Kondensatorfilter zur Last geschaltet und er-

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zeugt eine Spannung, die dem zur Last fließenden Strom entspricht. Diese Spannung bildet einen Eingang zu einer Rückkopplungsschleife 19» die die Zeit während ,jedes halben Zyklus festlegt, während welchem die Brücke Ik ^otriggert ist.

In der Schleife 19 legt ein Filter 20 die über dem Stroniabtastwiderstand 18 erscheinende Spannung auf einen Verstärker 22. Letzterer erzeugt ein Fehlersignal, wie in Fig. h gezeigt ist. Dieses dient der Veränderung um einen vorbestimmten Mittelwert oder Bezugswort, Eine VergleichsöLnrichtung 2k vergleicht den Wert des lehlersignals mit einem teilweise sinusförmigen Zeitablenkungssignal, welches aus einem Zeitablcnkungstorschaltkreis 26 austritt und in Fig. 5 gezeigt ist. Die Vergleichseinrichtung er-

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zeugt im wesentlichen kein Ausgang, bis das Zeitablenksignal das Fehlersignal übersteigt. Somit verläßt innerhalb des ersten halben Zyklus kein Ausgangssignal die Vergleichseinrichtung 2k_t bis das Zeitablenksignal das Fehlersignal übersteigt. Das Ausgangssignal aus der Vergleichseinriclw tung hält nur so lange an, wie das Zeitablenksignal vom Schaltkreis 26 das Fehlersignal vom Verstärker 22 übersteigt. Somit erscheint der Ausgang der Vergleichseinrichtung, wie in Fig. 6 gezeigt.

Ein Impulsgenerator 28 differenziert die Vorderflanke des Ausgangs der Vergleichseinrichtung zur Erzeugung von in der Fig. 7 gezeigten Impulsen. Diese triggern die SCR- β in der

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Brücke lh und betätigen dadurch die Brücke für den Rest des Halbzyklus, um den in Fig. 3 gezeigten Ausgang zu erzeugen *

Fig. 8 stellt den Schaltkreis der Fig. 1 in Einzelheiten dar. In Fig. 8 legt der Transformator 10 die sinusförmige Spannung, die auf der Primärseite des Transformators IO erscheint, über die Brücke 14 an, die aus Dioden 32 und 3h und SCI".'? 36 und 38 besteht. W_enn die Brücke 14 in geeigneter Weise getriggert ist, erzeugt sie den in Fig. 3 gezeigten Ausgang und legt ihn an einen 0,5-Ohm-Widerstand 40 und einen Filterkondensator h2 im Filter 16. Die sich ergebende gefilterte Ausgangsspannung erscheint an den Anschlüssen hh und U6.

Der Stromnbtastvidei'stand 18 hat einen Wert gleich 2/1, wobei I der Vert des Konstantstromes ist, der der Last zugeführt werden soll. Der Widerstand 18 liegt in Reihe mit der Last zwischen der geerdeten Seite des Kondensators·: h2 und dem Anschluß h6. Der Last strom, der von den Anschlüssen 4Λ und hG zur Last fließt, bringt somit eine Spannung über dem Widerstand 18, Diese Spannung setzt den Anschluß 46 an ein positives Potential, das etwas über Erde liegt. Diese Spannung kann als Umkehrsignal angesehen werden. Wenn der Stromfluß zur Last gleich dem gewünschten Strom I ist, ist die Spannung mit dem Widerstand 18 und demzufolge am Anschluß h(> gleich einem gewünschten Wert V. Wenn der Strom durch die Last geringer ist als I, ist die Spannung über dem

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Widerstand 18 geringer als V. In ähnlicher Weise erzeugt ein Laststrom, der größer als I ist, ein Rücksignal, welches größer als V ist.

Im Filter 20 vergrößern drei in Reihe liegende Dioden 48, 50 und 52 den Durchschnittswert des Rücksignals um 2 Volt über den Wert V* Ein Versorgungswiderstand ^k₁ der an einer positiven Quelle liegt, erregt die Dioden 48, 50 und 52. Ein Filterkondensator 56» dessen Wert beispielsweise 270 Microfarad sein kann, filtert das vergrößerte Rücksignal und legt es an die Basis eines Transistors 58 im Verstärker 22.

Die gefilterte und erhöhte Rückspannung an der Basis des Transistors 58 wird mit einer Bezugsspannung verglichen, die an der Basis eines Transistors 60 gebracht wird. Diese Bezugsspannung wird durch drei Widerstände 62, 6h und 66 gebracht, die zwischen einem positiven Anschluß und Erde liegen. Der Widerstand 6h ist variabel und kann eingestellt werden· Der Vergleich wird aufgrund der Transistoren 58 und 60 erhalten, die in Differentialverstärkerschaltung mit einem gemeinsamen Emitterkopplungswiderstand 68 geschaltet sind. Ein Kondensator 7° dient der Filterung der Bezugsspannung an der Basis des Transistors 60. Ein Kollektorwiderstand 72 bildet den Ausgang des Differentialverstärkers.

Wenn das erhöhte Rückeignal die Referenzspannung übersteigt, beginnt der Transistor 58 stärker zu leiten als

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der Transistor 6O und hebt das Potential über dem Widerstand 68 an. Dieses reduziert weiter den Emitter-Kollektorstrom im Transistor 60, wodurch, die Kollektorspannung des Transistors 60 angehoben wird· Venn die Bezugsspannung das angehobene Rücksignal übersteigt, wächst die Leitung des Transistors 60, während der Spannungsanstieg über dem Widerstand 68 den Emitter-Kollektorstromfluß im Transistor 58 vermindert. Die Spannung des Kollektors in Transistor 60 nimmt somit ab. Die Kollektorspannung am Transistor kann als Fehlerspannung oder Regelabweichung angesehen werden. . ■■

Die Fehlerspannung variiert um einen von der Bezugsspannung an der Basis des Transistors 60 gebrachten Wert. Beispielsweise variiert sie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung von 5 bis 15 Volt.

In der Vergleichseinrichtung 2k wird das Fehlersignal an die Basis eines Transistors "Jh gelegt, der einen Differentialverstärker mit einem Transistor 76 bildet. Letztgenannter Transistor nimmt die Zeitablenkungsspannung, die in Fig. gezeigt ist, auf. Ein Koppelwiderstand 78 an beiden Emit·* tern beider Transistoren 74 und 76 führt zu einer Leitung des Transistors, dessen Basis das höhere Potential trägt, wobei die Leitung besser als die des anderen Transistors ist. Die Reihenkollektorwiderstände 80 und 83 messen den Stromfluß im Transistor 76. Sie spannen einen PNP-Transistor 84, der einen Verstärker bildet, vor. Solange die

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in Fig. 5 dargestellte und an die Basis des Transistors 76 angelegte Zeitablenkspannung kleiner als die Fehlerspannung ist, leitet der Transistor "Jk besser und schaltet im wesentlichen den Transistor 76 ab. Somit ist der Stronifluß durch den Widerstand 80 nicht ausreichend, um eine genügend hohe Vorspannung zu bewirken und einen beachtlichen Ausgang am Kollektor des Transistors Sh zu erzeugen. Dieser Kollektor wird vom Kollektor%^iderstand 86 im Impulsgenerator 28 vorgespannt. Sobald die Zeitablenkspannung der Fig. 5 die Fehlerspannung übersteigt, steigt der Strom im Transistor 76 an und hebt die Emitterspannung des Transistors 7^ bezüglich ihrer Basisspannung an. Der sich ergebende hohe Emitter-Kollektorstrom im Transistor 76 und den Widerständen 80 und 82 vermindert die Basisspannung relativ zur Emittorspannung in dem PNP-Transistor 8k, Dieser leitet somit besser, und die Spannung über dem Kollektorwiderstand 86 steigt an. Dieser Anstieg wird in der Stufe an der Vorderflanke jedes Impulses in Fig. 6 reflektiert. Der Impuls endet, wenn die Zeitablenkspannung in Fig. 5 zu ihrem Minimalwert unter dem Wert der Fctitsrspannung zurückkehr t. Hierdurch wird die im Negativen verlaufende Stufe an der Hinterflai^ke jedes Impulses in Fig# 6 erzeugt.

In dem Impulsgenerator 28 bildet ein Kondensator 88 ein Differentiergerät mit dem Widerstand 86. Die vordere und hintere Kante jedes Impulses in Fig. 6 wird somit differen-

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ziert. Hierdurch werden schmale im Positiven und Negativen verlaufende Impulse erzeugt. Die im Negativen verlaufenden Impulse werden durch eine Diode 90 wirksam "geerdet", welche die Differentialeinrichtung mit dem positiven Anschluß der Brücke 14 verbindet. Die Widerstände 92 und 9h führen die im Positiven laufenden schmalen Impulse zu den Toren der SCR-¹S 36 und 38.

Die positiv laufenden Impulsspitzen oder Impulse triggern die SCiI 's 36 und 38 an ihren Toren und machen sie leitend« Nur während dieser leitenden Zeitperioden können die Komponenten der Brücke ihre leitenden Funktionen ausführen.
Die Leitung bleibt bis zum Ende der betreffenden Halbperiode« Die SCIi¹ s schalten sich dann selbst ab, bis ein neuer Impuls am Tor sich einschaltet.

Wenn der Strom zur Laafc geringer ist als der gewünschte Strom I, ist das Rücksignal geringer als der Wert V. Hierdurch
wird eine vergleichsweise niedrige Fehlerspannung erzeugt. Somit kann die an die Basis des Transistors "j6 angelegte
Zeitablenkschaltungsspannung, die an die Basis des Tran- , sistors 7^ gelegte Fehlerspannung zu einem früheren Augenblick in jeder Halbperiode übersteigen. Hierdurch wird ein schmaler Triggerimpuls eher in jeder Halbperiode erzeugt,
und die SCRs 36 und 38 werden zu einem früheren Augenblick getriggert. In jeder Halbperiode steigert somit die Brücke lh höhere Spannungsspitzeη am Kondensator 42 und liefert
eine erhöhte direkte Spannung an den Anschlüssen hh und HS und verstärkt dadurch den Laststrom,· Der Laststrom steigt

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gegen den Wert I an.

Wenn der Laststrom über den Wert I hinaussteigt, überst dg t das Fehlersignal an der Basis dee Transistors 7k die Zeitablenkspannung für eine längere Zeitdauer während jeder Halbperiode und somit triggern die positiven Triggerimpulse, die von dem Impulsgenerator 28 gebildet sind, die SCR-s 36 und 38 erst später in der Periode. Dies vermindert die Spannungsspitzen, die am Kondensator k2 liegen, sowie die Gleichspannung über den Anschlüssen kk und J|6, wodurch der Last strom vermindert wird.

Das Zeitablenksignal der Flg. 5 ist nicht linear, sondern sinusförmig. Dieses sinusförmige Zeitablenksignal bietet eine Reihe von Vorteilen. Insbesondere gewährleistet es Linearität, da die die SCR-s erregende Versorgungsspannung sinusförmig ist und die die SCR-s 36 und 38 triggernden Impulse zeitgesteuert sind auf der Basis einer sinusförmigen mit der Versorgung synchronen Spannung. Die Vergleichseinrichtung 2k arbeitst im wesentlichen als ein Spannungs-Zeit- oder Spannungs-Phasen-Umwandler.

Im Schaltkreis 26 legt ein Transformator 98 eine sinusförmige Spannung an einen positiven folgenden Gleichrichter, der aus Dioden 100, 102 besteht, und an einen negativen VoIlwellenverstärker, der Dioden 104 und IO6 aufweist. Der Ausgang des positiven folgenden Gleichrichters ist an den Widerstand 108 gelegt. Eine Klemm- oder Blockschaltung weist

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einen Block kondensator 110, einen Widerstand 112 und eine Diode 1U auf und blockt die Vollwellen-gleichgerichtete positve Spannung an ihrem Spitzenwert ab, so daß sie in wirksamer Weise eine negativ laufende Spannung wird, wie in Fig. 9 gezeigt ist· Diese negativ laufende Spannung läuft nur an der Spitze jeder Halbwelle positiv. Diese

Spitze wird an das Tor eines SCR 118 gelegt« Ein Widerstand 120 legt die von den Dioden 100und 102 gebildete positive gleichgerichtete Vollwellenspannung an den SCR-118, Somit zünder der SCR-118 bei der Spitze jeder Halbperiode und bleibt für den Rest jeder Halbperiode leitend.

Die Leitung des SCR 1.18 an der Spitze jeder Halbperiode läßt in wirksamer Weise die positive, gleichgerichtete Vollwellenspannung, die zwischen den Dioden 100 und 102 ers cheint, nach jeder Spitze zusammenfallen, so daß die Spannungsteiler Widerstände 122 und 124 an die Basis eines Transistors 126 den in Fig. 10 gezeigten Singalen entsprechende Signale anlegt.

Zur selben Zeit legt ein Paar von Spannungsteilerwiderständen 128 und I30 die negative Vollwellen-gleichgerichtete Spannung, die zwischen dent Dioden 102 und VJk erscheint, an eine, einenBlockkondensator I32 und eine Diode IJk sowie eine Zejin,erdiode 106 aufweisende positive Block- oder Klemmschaltung (auch Clamping-Schaltung). Eine 20»Voltquelle erregt die Zenerdiode 136 über einen Widerstand I38» wöbei_vder Abfall der Diode I36 5 Volt ist. Somit wird die

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negative Halbwellen-gleichgerichtete Spannung zwischen den Dioden 1O'f und 106 auf einen positiven Wert von 5 Volt festgelegt und erscheint wie in Fig. 11 gezeigt.

Ein Widerstand 1^0 legt dieses Signal an den Kollektor des Transistors 126.

Dieses Signal ist stets positiv. Die zugehörige, an die Basis des Transistors 126 angelegte Spannung dient der Sättigung des Transistors 126 während der ersten Hälfte jeder Halbperiode. Während dieser Periode ist die Spannung über dem Transistor gleich dem gesättigten Spannungsabfall darüber. Im Verlaufe der zweiten Hälfte jeder Halbperiode ist die an die Basis angelegte Spannung im wesentlichen gleich 0. Während dieser Zeit bleibt der Transistor im wesentlichen nichtleitend. Während dieser Resthälfte jeder Halbperiode paßt sich somit die Spannung über dem Transistor 126 der dort angelegten Kollektorspannung an. Infolgedessen ist die an dem Transistor 126 angelegte Spannung im wesentlichen während der ersten Schaltperiode 0 und folgt der Kollektorspannung während der zweiten Halbperiode, so daß sie, wie iri^;Fig. 5 gezeigt ist,^ auf tdttt.

In wirksamer Weise arbeitet der Transistor 26 als eine Shuntschaltung über der Spannung, die in Flg. 11 gezeigt ist. Der Schalter ist während der ersten Halbperlode geschlossen Und während der zweiten Halbperlode geöffnet·

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Die sich ergebende, in Fig. 5 gezeigte WelJaxform erscheint an der Basis des Transistors 76 in der Vergleichscinrichtung 24. Wie oben erwähnt» liefert die Vergleichseinrichtung 2\\ eine Ausgangs spannung zu jeder Halbperiode, sobald die an der Basis des Transistors J6 erscheinende Zeitablenkungsspannung die Fehl er spannung überschreitet, die an der Basis des Transistors ^h auftritt. Auf diese ¥eise wird die als eine Zeitablenkungsspannung dienende Spannung einer teilweisen Sinuskurve mit einer Fehlerspannung verglichen. Das Ergebnis ist eine Spannung-Zeit-Umwandlung, die im wesentlichen nicht linear ist. Das heißt, die Umwandlung folgt einem sinusförmigen Muster. Wenn die Fehlerspannung niedrig ist, erzeugt eine kleine Voränderung eine vergleichsweise schnelle Verschiebung in der Zeitlage oder Phase in der ersten Periode. Bei höheren Fehlerspannungen wandelt die Vergleichseinrichtung 2k sehr kleine Spannungsänderungen in kleinere Zeit- oder Phasenändorungen um.

Die sinusförmige Nichtlinearität der Spannung-Zeit-Umwandlung, die durch die Vergleichseinrichtung 2,h durchgeführt ist, kompensiert exakt die sinusförmige Nichtlinearität, die der Zeit-Spannung-Umwandlung eigen ist, die dadurch vorgenommen wurde, daß die sinusförmig erregten SCR-s 36 und mit Impulsen getriggert werden, die von der Vorderflanke der Ausgangsspannung der Vergleichseinrichtung erzeugt sind. Mit anderen Worten, wenn der Impulsgenerator 28 die sinusförmig zeitgesteuerten Impulse der Fig. 7 vorsieht, um die

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SCR-s 36 und 38 zu triggern, tritt eine sich sinusförmig verändernde Zeit-Spannungs-Umwandlung auf. In den SCR-s im Gegensatz zu der nichtlinearen Spannungs-Zeit-Umwandlung in der Vergleichseinrichtung bewirken jedoch kleine differentielle Veränderungen in einem früh während des zweiten Teils jeder Halbperiode ankommenden Impuls kleine Spitzenausgangsspannungsveränderungen, währoid differentielle Veränderungen, die später in dem zweiten Teil jeder Halbperiode ankommen, bedeutendere Spitzenspannungsveränderungen zu jeder Halbperiode bewirken. Beide Umwandlungsnichtlinearitäten sind sinusförmig und einander entgegengesetzt. Sie kompensieren sich daher einander in wirksamer W_eise, und eine Rückkopplungslinearität herrscht vor.

Um diese Linearität beizubehalten, spannen die Dioden k8_f 50 und 52 den Transistor 58 und den Verstärker 22 vor, und der veränderbare Widerstand 6k wird so eingestellt, daß die von der Vergleichseinrichtung 2k an der Basis des Transistors 7k gemessene Fehlerspannung um einen Wert variiert, der einer vorbestimmten Triggerzeit oder Phase entspricht·

Die Zeitteilungen in den Fig. 2 bis 7 und 8 bis 11 sind dieselben.

Beispiele der Werte für besondere Widerstände und Kondensatoren, die acur Verwendung in der Aueführungsform in Fig.8 geeignet sind, sind die folgendem

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Widerstand 40 Diode 48, 50» 52 zusammen

Widerstand 54 Kondensator $6 Widerstand 62 Widerstand 64 Widerstand 66 Widerstand 68 Widerstand 78 Widerstand 80 Widerstand 82 Widerstand 86 Kondensator 88 Widerstand 92 Widerstand 108 Kondensator Widerstand 112 Widerstand 116 SCR 118

Widerstand 122 Widerstand 124 Widerstand 128 Widerstand I30 Kondensator Kondensator Alle NPN-Transistoren PNP-Transistor

0,5 Ohm

2 Volt Durchlaßabfall, insgesamt 4,7 Kiloohm 270 /uf, 6 V

3 Kiloohm 25 Kiloohm 47O Ohm 680 Ohm 47 Kiloohm 4,7 "

470 Ohm 1 /Uf, 100 V 27 0hm

1 K

30yuf, 25 V -75 K

4,7 K

2 N5OO4 10 K

h,7 κ 470 Ohm

1 K

30 /uf, 25 V 47 K

2 N 4124 2 N 4126

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Die Erfindung eignet sich für die Anwendung bei Hochleistungsanordnungen, die Vielphasengleichstromeingänge verwenden. Fig. 12 zeigt ein Dreiphasensystem mit Merkmalen gemäß der Erfindung« Hier werden der Transformator 10, die SCR-Brücke 1U, der Zeitablenkungstorschaltkreis 26, die Vergleichseinrichtung 2k und der Impulsgenerator 28 der Fig. 1 für jede der drei Phasen des Systems wiederholt* Ihre Verbindungen in jeder Wiederholung ent-, sprechen denen der Fig. 1. Jeder Transformator und Zeitablenkungstorschaltkreis liegt an einer Phase der Eingangsleitungen 150. Der Kondensatorfilter 16, der Widerstand IiB, der Verstärker 22 und der Filter 20 sind nicht wiederholt.

Vielmehr liegen die Ausgänge jeder der drei Brücken 1*l· am Eingang des Kondensator-filters 16. Der Verstärker 22 speist jeden Kondensator 2k_t wie in Fig. 12 gezeigt ist.

Die Bestandteile jeder einzelnen Phase arbeiten wie oben beschrieben. Die Spannung der Phase der Vielphasenleitungen erscheint in Fig. 13. Zwecks Klarheit unterscheidet sich die Zeltteilung hier von jener in den Fig. 2 bis 7 und 9 bis 11· Die Ausgangsspannung der Versorgung für das Ausgleichs-Dreiphasensystem erscheint in Fig. Ik* Hier entspricht die Zeitteilung jener in Fig. 13·

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Claims

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Patentansprüche

1, Stromversorgung für die Erregung einer Last, gekennzeichnet durch einen GSeichrichtung zur Erzeugung einer einseitig gerichteten Spannung, eine Steuerung in dem Gleichrichter zum An- und Abschalten des Gleichrichters, eine Stromabtasteinrichtung ,am Ausgang des Gleichrichters zur Erzeugung eines Signalwertes in Abhängigkeit vom Wert des Stromes, der aus dem Gleichrichter austritt, eine Zeit-Ablenlcungsschalteinrichtung zur Erzeugung eines Zeitablenlcungssignals mit einer gegebenen Periode, welches sich in der Periode ändert, und eine Vergleichseinrichtung in Abhängigkeit von der Zeitablenkungsschaltungseinrichtung und der Stromabtasteinrichtung ssum Vergleich der augenblicklichen Niveaus der Signale, wobei die Vergleichseinrichtung mit der Steuereinrichtung verbunden ist_B um diese zu zwingen, den Gleichrichter jedesmal anzuschalten, wenn eines der Signale eine vorbestimmte Beziehung zum anderen trägt.

2t Versorgung nach Anspruch I₈ dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichter eine Gleichrichterbrücke und einen Kondensatorfilter aufweist.

3· Versorgung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung ein Teil der Brücke bildet und einen Thyristor aufweist_β '

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Ί. Versorgung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Brücke vier Arme aufweist, von denen zwei entsprechende Thyristoren und zwei andere entsprechende Dioden aufweisen.

5. Versorgung nach Anspruch 3# dadurch gekennzeichnet, daß die Brücke Eingangsmittel aufweist zum Ansprechen auf eine gegebene Leistungswellenform und daß die Zeitablenkungs-Schaltungseinrichtung eine Wellenformeinrichtung aufweist zur Erzeugung einer Zeitablenkung, die in der Wechselrate zumindest einem Teil der gegebenen Leistungswellenform entspricht.

6. Versorgung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß ge-

die gebene Leistungswellenform einen ansteigenden Anfangsteil und einen abfallenden zweiten Teil aufweist, und daß die Vellenformeinrichtung eine Zeitablenkung erzeugt, die in der Rate des Wechsels dem zweiten Teil entspricht.

7· Versorgung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Brücke vier Arme aufweist, von denen zwei entsprechende Thyristoren und die zwei anderen entsprechende Dioden aufweisen.

8. Versorgung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitablenkungs-Schaltungseinrichtung eine Wellen erzeugende Einrichtung aufweist zur Erzeugung einer zyklischen Wellenform, deren Wert über eino Halbporiode kon-

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stant bleibt und langsam und danach schneller für die restliche Halbperiode jedes Zyklus bzw jeder Periode ansteigt.

9. Versorgung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenform dem Anstiegsteil einer positiv festgestellten, negativ laufenden Vollwellen-gleichgerichteten Sinuskurve folgt.

10. Versorgung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitablenkungs-Schaltungsexnrichtung eine Diodeneinrichtung aufweist zur Bildung einer negativ laufenden, positiv festgestellten, Vollwellen-gleichgerichteten Wellenform und daß die Schaltungseinrχchtung mit der Diodeneinrichtung zur Verhinderung der Bildung des abfallenden Teils der gleichgerichteten Vollwellenform verbunden ist.

11. Versorgung nach Anspruch 10, dadurch- gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung den .Abfallenden Teil der positiv festgelegten Vollwellen-gleichgerichtoten Wellenform nach Erde shuntet und den restlichen Teil der Wellenform durchläßt.

12. Versorgung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltereinrichtung einen Schalter aufweist, der an der Diodeneinrichtung liegt, und eine Spannungsgeneratoreinrichtung aufweist, vom Anschalten der Schaltereinrichtung während des abfallenden Teils der positiv festge-

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legten, Vollwellen-gloichgerichteten Wellenform und zum Abschalten der Schalteinrichtung während des ansteigenden Teils der positiv festgelegten, Vollwellen-gleichgerichteten Wellenform.

13· Versorgung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die apannungserzeugende Einrichtung eine zweite Diodeneinrichtung aufweist zur Erzeugung eines Vollwellen-gleichgerichteten Potentials, eine Shunteinrichtung, die über dem Vollwellen-gleichgerichteten Potential liegt, eine Klemmeinrichtung zum Festlegen des Vollwellen-gleichgerichteten Potentials in negativer Weise und zum Verbinden desselben mit der Shunteinrichtung, um diese an der Spitze jeder Vollwellen-gleichgerichteten Wellenform anzuschalten*

1*1·· Versorgung nach Anspruch 13i dadurch gekennzeichnet, daß die Shunteinrichtung einen Thyristor aufweist.

15· Versorgung nach Anspruch Ih₉ dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung einen Transistor aufweist und der Thyristor zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors liegt und die Diodeneinrichtung vom Kollektor zum Emitter des Transistors verbunden ist.

16. Versorgung nach Anspruch 9$ dadurch gekennzeichnet, daß die Brücke vier Arme aufweist, von denen zwei darin liegende entsprechende Thyristoren und zwei andere Dioden aufweisen und daß die Thyristoren am Ausgang der Vergleichseinrichtung liegen.

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17· Versorgung nach. Anspruch 15» dadurch, gekennzeichnet, daß dio Brücke vier Arme aufweist, von denen zwei entsprechende Thyristoren darin angeschlossen aufweiset! und zwei Arme darin liegende Dioden aufweisen und die Thyristoren am Ausgang der Vergleichseinrichtung angeschlossen sind.

18, Stromversorgung für die Erregung einer Last aus einem Vielphasen-Stromnetz, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Gl ei ehr i entern, deren jeder· zur Erzeugung einer einseitig gerichteten Spannung von einer Phase vorgesehen ist, eine Steuereinrichtung in jedem Gleichrichter zum An- und Abschalten desselben, eine Stromabtasteinrichtung, die am Ausgang jedes Gleichrichters liegt zur Erzeugung eines Signalwertes in Abhängigkeit vom ¥ert der Ströme, die aus jedem der Gleichrichter austreten} eine Mohrzahl von Zeitablenkungs-Schaltungseinrichtungen, deren jede zur Erzeugung eines Zeitablenkungssignais vorgesehen ist mit einer gegebenen Periode, wobei das Signal sich in der Periode verändert, eine Mehrzahl von Vergleichseinrichtungen, deren jede auf eine der Zeitablenkungsschaltungseinrichtungen anspricht sowie auf die Stromabtasteinrichtungen zum Vergleich des augenblicklichen Niveaus der Signale und zum Verbinden jeder der Steuereinrichtungen, um sie zum Anschalten der Gleichrichter jedesmal zu zwingen, wenn eines der Signale eine vorbestimmte Beziehung zum anderen trägt.

19. Versorgung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß jouer Gleichrichter eine Eingangseinrichtung zum An-

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sprechen auf eine gegebene Energiewellenform aufweist und die Zeitablenltungsschaltungseinrichtung jeweils VeI-lenformeinrichtunjpn aufweist zur Erzeugung einer Zeitablenkung, die in der Wechselrate zumindest einen Teil der gegebenen Leistungswellenform entspricht.

20. Versorgung nach Anspruch 19» dadurch gekennzeichnet, daß die gegebenen Leistungswellenformen einen ansteigenden Anfangsteil und einen abfallenden zweiten Teil aufweist, wobei die Wellenformeinrichtungen entsprechende Zeitablenkungen erzeugen, die in dor Rate des Wechsels dem zweiten Teil entsprechen.

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