DE2950411A1 - Gleichrichtervorrichtung mit gesiebter ausgangsspannung - Google Patents

Gleichrichtervorrichtung mit gesiebter ausgangsspannung

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DE2950411A1 DE19792950411 DE2950411A DE2950411A1 DE 2950411 A1 DE2950411 A1 DE 2950411A1 DE 19792950411 DE19792950411 DE 19792950411 DE 2950411 A DE2950411 A DE 2950411A DE 2950411 A1 DE2950411 A1 DE 2950411A1
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Description

Patent-Treuhand-Gesellschaft für elektrische Glühlampen mbH, München Gleichrichtervorrichtung mit gesiebter Ausgangsspannung ·)
Die Erfindung betrifft eine Gleichrichtervorrichtung mit gesiebter Ausgangsspannung, die eine Anordnung von Gleichrichterventilen (Gleichrichterteil) sowie einen deren Ausgang überbrückenden Siebkondensator enthält.
Die meisten Gleichstromverbraucher werden heute über entsprechende Gleichrichter aus dem Wechselstromnetz gespeist. Ohne besondere Maßnahmen hat die von den vorzugsweise verwendeten Einphasen-Doppelweggleichrichtern gelieferte Spannung eine Pulsation von 100 %, d.h. ihre Höhe ändert sich mit doppelter Netzfrequenz zwischen Null und ihrem Maximalwert. Für die meisten Anwendungsfälle ist diese hohe Pulsation nicht zulässig, z.B. für die gesamte Halbleiterelektronik und für gleichstrombetriebene Gasentladungslampen; in der Regel liegt die zulässige Pulsation unter 20 %. Bei der Leistungselektronik z.B. ist eine möglichst niedrige Pulsation der Gleichspannung erforderlich, um die Verluste in den Transistoren klein zu halten; bei für Gleichstrombetrieb vorgesehenen Hochdrucklampen sinkt die Lebensdauer bei zunehmender Pulsation stark ab.
Nach dem derzeitigen Stand der Technik werden zwei Möglichkeiten zur Verminderung der Pulsation getrennt oder gemeinsam angewandt, und zwar der Einsatz von Mehrphasengleichrichtern und/oder die Glättung der Gleichspannung hinter dem Gleichrichter. So liefert z.B. ein Drehstromgleichrichter in Brük-
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kenschaltung ohne jede Glättung eine Spannung mit nur 13, *< 9» Pulsation. Bei Einphasen-Doppelweggleichrichtern wird von der zweiten Möglichkeit Gebrauch gemacht, nämlich der Glättung der Gleichspannung hinter dem eigentlichen Gleichrichter mit Hilfe eines Siebkondensators oder auch durch Anwendung der Kombination von Ladekondensator, Siebdrossel und Siebkondensator. Die vom Drehstromgleichrichter gelieferte Spannung mit 13,'· % Pulsation kann ebenfalls hinter dem Gleichrichter geglättet werden, um auf diesem Weg die Pulsation weiter zu vermindern.
Beide Methoden weisen gravierende Nachteile auf. - Drehstrom steht in vielen Fällen nicht zur Verfugung, so daß Einphasengleichrichter mit ihrer hohen Grundpulsation von 1OO % eingesetzt werden müssen. Die notwendige Glättung erfolgt dann mit Hilfe von Siebkondensatoren hoher Kapazität. Je besser die Glättung sein muß, desto kleiner wird der Stromflußwinkel und um so höher der Stromscheitelwert auf der Wechselstromseite. Dies hat eine hohe Oberwelligkeit des Netzstromes zur Folge, was wiederum einen niedrigen Leistungsfaktor ergibt.
Insbesondere in der Allgemeinbeleuchtung ist eine Lösung der hier aufgezeigten Probleme von großem Interesse. Es wird derzeit nach technischen Möglichkeiten gesucht, die die wirtschaftliche Einführung des Tonfrequenzbetriebes bei Entladungslampen in großem Umfang erlauben. - Bekanntlich erreichen z.B. Leuchtstofflampen, die mit Tonfrequenz von etwa 20 kHz gespeist werden, eine bis zu 10 % höhere Lichtausbeute als an Netzfrequenz betriebene Lampen. - Tonfrequenzgeräte benötigen als Stromversorgung Gleichstrom kleiner Pulsation, der in der Regel durch einen Netzgleichrichter mit Siebung erzeugt wird. Die Nachteile dieser (bekannten) Gleichrichter wurden bereits vorstehend erläutert. Daneben treten bei guten verlustarmen Tonfrequenzgeräten auch starke Rundfunkstörungen auf.
Zur Zeit gelten für elektronische Gerate noch kein« einschränkenden Bedingungen bezüglich Oberwelligkeit des Netzstromes und
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des Netzleistungsfaktors. Kommen derartige Geräte in größerem Umfang zum Einsatz, dann ist damit zu rechnen, daß die Elektrizitätsversorgungsunternehmen in Verbindung mit VDE und IEC eine Begrenzung der Oberwelligkeit wie für Allgemeinbeleuchtung und einen Mindestleistungsfaktor in derselben Höhe wie für andere elektrische Verbraucher fordern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gleichrichtervorrichtung - mit entsprechendem Glied zur Glättung der gelieferten Gleichspannung -zu schaffen, die bei wirtschaftlich vertretbarem Aufwand die Oberwelligkeit des Netzstromes innerhalb der nach VDE 0712 und IEC zulässigen Grenzen hält und den Netzleistungsfaktor auf über 0,9 erhöht. Eine solche Gleichrichtervorrichtung sollte insbesondere für die Versorgung von Tonfrequenzgeräten zum Betreiben von Entladungslampen geeignet sein. Das die Glättung der Gleichspannung bewirkende Glied ist dabei so auszubilden, daß die von elektronischen Schaltungen bzw. von Entladungslampen erzeugten Rundfunkstörspannungen beseitigt bzw. stark gedämpft werden.
Die Gleichrichtervorrichtung mit den im Oberbegriff des Hauptanspruchs genannten Merkmalen ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß auf der WechseIstromseite die entsprechend dimensionierte Kombination einer Speicherdrossel (D) und eines Speicherkondensators (Cl) angeordnet ist, durth die aus der sinusförmigen Netzspannung eine annähernd rechteckförmige bzw. trapezförmige Spannung - zur Speisung des Gleichrichterteils gebildet wird.
Durch diese Anordnung eines LC-Gliedes ist zum einen für eine gute Glättung der Gleichspannung gesorgt, zum anderen wird durch die entsprechende Umformung der Netzspannung in eine Spannung mit relativ steilen Flanken erreicht, daß der Stromflußwinkel des Netzstromes deutlich vergrößert wird. Letzteres hat eine Verminderung der Netzstromoberwelligkeit bei gleichzeitiger Verbesserung des Leistungsfaktors - auf Werte von über 0,9 - zur Folge.
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Es haben sich zwei Grundschaltungen bewährt. Bei beiden sind die direkt dem Netz nachgeordnete Speicherdrossel (0) und der Eingang des Gleichrichterteils in Reihe geschaltet. Unterschiedlich ist die Anordnung des Speicherkondensators (Cl), der eine der Drosselimpedanz angepaßte Kapazität hat. Bei der einen Schaltungsanordnung liegt der Speicherkondensator (Cl) parallel zum Gleichrichtereingang; Speicherdrossel (D) und Spei ehe!kondensator (Cl) bilden ein sog. T-Glied. Mit dieser Schaltungsanordnung erreicht man die gewünschte Verminderung der Netzstromoberwelligkeit. Die Netzstromoberwellen liegen damit innerhalb der nach IEC bzw. VDE zulässigen Grenzen. Gleichzeitig erfolgt eine Anhebung des Netzleistungsfaktors auf einen Wert von 0,94. Bei der zweiten Schaltungsanordnung sind Speicherdrossel (D) und Speicherkondensator (Cl) in Reihe geschaltet, sie bilden ein Reihenresonanzglied. Eine derartige Reihenresonanzanordnung ergibt bereits eine ausreichende Verminderung der Netzstrom-Oberwelligkeit und eine Anhebung des Leistungsfaktors auf Verte von knapp 0,9i wobei eine induktive Phasenverschiebung auftritt. Um die Schaltung noch zu verbessern, wird ein Korrekturkondensator (C3) parallel zum Eingang des Gleichrichterteiles angeordnet. Als Ergebnis zeigt sich eine weitere Verminderung der Netzstrom-Oberwelligkeit und die Anhebung des Leistungsfaktors auf Werte um 0,95·
Es sind auch Untersuchungen mit einer Gleichrichtervorrichtung vorgenommen worden, bei der Speicherdrossel (D) und Speicherkondensator (Cl) als Parallelresonanzkreis angeordnet waren. Es hat sich gezeigt, daß mit dem einfachen Parallelresonanzkreis nicht die nach IEC und VDE geforderten niedrigen Werte für alle Harmonischen des Netzstromes realisierbar sind. Der Parallelresonanzkreis vermindert die Intensität der Harmonischen, auf die er abgestimmt ist - z.B. die 3· - sehr stark, jedoch läßt er die übrigen Oberwellen, vor allem die höherzahl igen, praktisch ungedämpft durch. Um die entsprechenden Vorschriften bezüglich der Netzstrom-Oberwellen erfüllen zu können, müßten mehrere Parallelresonanzkreine hintereinander geschaltet werden, was zu
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einer teuren und komplizierten Ausführung des Gleichrichters führen würde, die nicht mehr wirtschaftlich ist.
Die Anordnungen von Speicherdrossel (D) und Speicherkondensator (Cl) als T-Glied und als Reihenresonanzglied dagegen gestatten es, mit einem wirtschaftlich vertretbaren Aufwand Gleichrichtervorrichtungen zu bauen, die die gestellten Anforderungen erfüllen. Mit Hilfe von Berechnungen sind entsprechende Glieder entwickelt und ihre optimale Auslegung bezüglich Wirksamkeit und Wirtschaftlichkeit auf empirischem Weg ermittelt worden.
Die Auslegung des oberwellenarmen Netzgleichrichters - dieser soll insbesondere zur Speisung elektronischer Geräte geeignet sein, die für den Betrieb von Gasentladungslampen vorgesehen sind - unterliegt den folgenden Kriterien: Sowohl beim T-Glied (Figur 3) als auch beim Reihenresonanzglied (Figur 5) wird die Größe der Speicherdrossel (D) durch die Forderung bestimmt, die 3· Harmonische des Netzstromes auf max. 25 % zu begrenzen, wobei der Netzleistungsfaktor mindestens 0,9 sein muß. Da die magnetische Energie die Stromversorgung während der Zeiten zu kleiner Momentanwerte der Netzspannung zum größten Teil (je nach zulässiger Pulsation) sicherstellen muß, ist die erforderliche Scheinleistung direkt proportional der der Gleichrichtervorrichtung entnommenen Wirkleistung. Mit Rücksicht auf Gewicht, Kosten und Verlustleistung sollte die Speicherdrossel (D) eine möglichst geringe Scheinleistung aufweisen. Auf empirischem Werj wurde ermittelt, daß eine Drossel (D), deren Scheinleistung bei Netzfrequenz etwa das 0,6-fache der zu liefernden Wirkleistung beträgt, einerseits die Oberwelligkeit des Netzstromes ausreichend niedrig zu halten gewährleistet und andererseits in Verbindung mit einem relativ kleinen Siebkondensator (C2) die Pulsation der Gleichspannung auf Werte zwischen 10 und 15 % herabsetzt. Bei der Konzipierung der Speicherdrossel (D) ist ferner zu beachten, daß ihre Kennlinie bei Nenn-Netzspannung bis zum Nennstrom annähernd geradlinig sein nuß; bei gekrümmter Kennlinie tritt eine Vergrößerung der 3· Harmonischen ein.
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Die Kriterien für die Auslegung des Speicherkondensators (Cl) sind für T-Glied und Reihenresonanzglied unterschiedlich. Beim T-Glied (Fig. 3) ergibt sich die Kapazität des Kondensators (Cl) aus der Forderung, daß die Resonanzfrequenz der Speicherdrossel (D) in Verbindung mit dem Speichertondensator (Cl) kleiner als 15O Hz und größer als 100 Hz sein nuß. Als günstiger Wert lint sich eine Resonanzfrequenz von 120 Hz ergeben, gute Erpebni j»:>e sind in einem Bereich von 110...133 Hz zu erzielen. Wird die Resonanzfrequenz von 13O Hz überscnritten, dann steigt die 3· Harmonische des Netzstromes an, unterschreitet sie 110 Hz, dann nimmt das Gerät kapazitiven Blindstrom auf und der Netzleistungsfaktor sinkt ab. Diese Angaben beziehen sich auf Netzgleichrichter für 50 Hz-Netze. Bei abweichenden Netzfrequenzen ändern sich die Werte für die Resonanzfrequenz entsprechend. Es ist deshalb besser zu fordern, daß die Resonanzfrequenz im Bereich der 2,2...2,6-fachen Netzfrequenz liegen muß, wobei die günstigsten Ergebnisse mit der 2,4-fachen Netzfrequenz erzielt werden.
Beim Reihenresonanzglied (Fig. 5) ergibt sich die Kapazität des Speicherkondensators (Cl) aus der Forderung, daß die Resonanzfrequenz der Speicherdrossel (D) in Verbindung mit dem Speicherkondensator (Cl) der Netzfrequenz entspricht. Jede Abweichung der Resonanzfrequenz von der Netzfrequenz hat ansteigende Netzstrom-Oberwellen zur Folge. Die erforderliche Nennspannung des Speicherkondensators (Cl) ist I15...12O V bei 220 V Netzspannung.
Für den Korrekturkondensator (C3) beim Reihenresonanzglied (Fig. 5) wurde auf empirischem Weg ermittelt, daß die günstigsten technischen und wirtschaftlichen Ergebnisse dann erzielt werden, wenn die Kapazität des Kondensators (C3) etwa 5 % der Kapazität des Speicherkondensators (Cl) beträgt. Die erforderliche Spannungsfestigkeit ist etwa 220 V.
Der auf der Gleichstromseite verbleibende Siebkondensator (C2)
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iet bei einer bestimmten Restpulsation beträchtlich kleiner, als er ohne die wechselatromseitig angeordnete Kombination Speicherdrossel (D) und Speicherkondensator (Cl) sein müßte. Die Kapazität des Siebkondensators (C2) wird durch die zulässige höchste Pulsation bestimmt. Für eine Gleichrichtervorrichtung mit T-Glied (Fig. 3) ist ein Siebkondensator (C2) erforderlich, dessen Kapazität 0,3 pF pro 1 V abzugebender Wirkleistung ist. Dieser Wert gilt für Gleichrichter, deren Versorgungsspannung 220 V beträgt. Bei abweichenden Spannungen ändert sich die erforderliche Kapazität mit dem Quadrat der Spannung. Die Kapazität des Kondensators (C2) ist in weitem Bereich unkritisch, sie beeinflußt praktisch nur die Restpulsat ion der Gleichspannung, während die Netzstromoberwelligkeit, der Netzleistungsfaktor und die abgegebene Wirkleistung nahezu unbeeinflußt bleiben. Eine Verminderung der Kapzität auf 0,15 pF/wi also die Hälfte des empfohlenen Wertes, ergibt immer noch Betriebswerte, die innerhalb der zulässigen Grenzen liegen.
Eine Gleichrichtervorrichtung mit Reihenresonanzglied (Fig. 5) benötigt einen Siebkondensator (C2), dessen Kapazität etwa °»5 pF pro 1 W abzugebender Leistung beträgt, eine Netzspannung von 220 V und eine Netzfrequenz von 50 Hz vorausgesetzt. Bei abweichender Spannung ändert sich die erforderliche Kapazität mit dem Quadrat der Spannung und linear mit der Frequenz. Die Kapazität des Siebkondensators ist ebenso wie bei der Gleichrichtervorrichtung mit T-Glied unkritisch.
Die vorstehend beschriebene Dimensionierung ist - wie bereits erwähnt - insbesondere für oberwellenarme Netzgleichrichter zur Speisung elektronischer Geräte konzipiert, die für den Betrieb von Gasentladungslampen vorgesehen sind; eine derartige dimensionierte Ausführung ist besonders wirtschaftlich darstellbar. Werden an die Gleichrichtervorrichtung höhere Anforderungen bezüglich Oberwellenfreiheit des Netzstromes oder eine besonders niedrige Pulsation der Gleichspannung gestellt, so sind auch diese erfüllbar. Es ist z.B. möglich, die Summe
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aller Harmonischen des Netzstromes auf unter 3 % zu benroti7.«Mi und/oder die Pulsation auf Werte unter 3 % herabzusetzen. Kür den ersten FaIl1 Verminderung der Netzstromoberwelligkeit, ist der Einsatz einer größeren Speicherdrossel (D) mit höherer Impedanz erforderlich, wobei die Kapazität des Speicherkondensators (Cl) so weit zu vermindern ist, daß die Resonanzfrequenz beim T-Glied im Bereich der 2,2...2,6-fachen Netzfrequenz liegt bzw. beim Reihenresonanzglied gleich der Netzfrequenz ist, wobei der hohe Leistungsfaktor erhalten bleibt.
Die Verkleinerung der Pulsation ist ebenfalls durch eine etwas größere Speicherdrossel (D) in Verbindung mit einem Siebkondensator (C2) größerer Kapazität möglich. Auch in diesem Fall sind die günstigsten Ergebnisse dann erreichbar, wenn die entsprechenden Bedingungen für die Resonanzfrequenz zwischen Speicherdrossel (D) und Speicherkondensator (Cl) erfüllt sind.
Elektronische Vorschaltgeräte zum Betrieb von Entladungslampen erzeugen erhebliche Funkstörspannungen, die in der Regel um so höher werden, je niedriger die Geräteverluste sind, je besser also das Gerät ist. Diese Störungen können durch den oberwellenarmen Netzgleichrichter dadurch gedämpft werden, daß die Speicherdrossel (D) in zwei Hälften unterteilt wird, die jeweils in eine Netzzuleitung zum (eigentlichen) Gleichrichterteil geschaltet werden. Hierdurch wird eine beträchtliche Verminderung sowohl der leitungsgerichteten als auch der abgestrahlten Funkstörspannung erreicht. Die Aufteilung der Speicherdrossel (D) kann auf zwei Arten erfolgen, und zwar entweder durch Aufbringen von zwei Wicklungshälften auf einen Kern (Figuren 7a und 9a) oder durch Verwendung von zwei Speicherdrosseln (magnetisch getrennte Teildrosseln) mit jeweils der halben Induktivität bzw. Scheinleistung (Figuren 7b und 9b). Letztere Ausführung ergibt eine bessere Entstörung, während erstere kostengünstiger ist.
Vie bekannt, erzeugen auch Drehstromgleichrichter der bisherigen Bauart im Netzstrom erhebliche Oberwellen und lassen vom Ver-
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braucher evtl. erzeugte Funkstörspannungen ungedämpft durch. Die vorstehend beschriebenen Schaltungsanordnungen für einen oberwellenarmen und funkstördämpfenden Einphasengleichrichter lassen sich auch für einen Drehstromgleichrichter anwenden (Figuren 10 und ll). Die Auslegungsgrundlagen sind dabei die gleichen wie für die Einphasengleichrichter.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren - diese zeigen vorteilhafte Ausführungsbeispiele - näher erläutert.
Figuren la und Ib Schaltungen von herkömmlichen Einphasengleichrichtern mit nachgeschaltetem Glättungsglied.
Figur 2 Diagramm des zeitlichen Verlaufs von Netzspannung und Netzstrom an einem Gleichrichter gemäß den Figuren la und Ib.
Figur 3 Schaltung eines Netzgleichrichters in einphasiger Ausführung mit vorgeschaltetem, die Netzstrom-Oberwellen verminderndem Glied (T-Anordnung).
Figuren 4a und 4b Diagramme des zeitlichen Verlaufs charakteristischer Spannungen und Ströme an einem Gleichrichter gemäß der Figur 3.
Figur 5 Schaltung eines Netzgleichrichters in einphasiger Ausführung mit vorgeschaltetem, die Netzstrom-Oberwellen verminderndem Glied (Reihenresonanz-Anordnung)·
Figuren 6a und 6b Diagramme des zeitlichen Verlaufs charakteristischer Spannungen und Ströme an einem Gleichrichter gemäß der Figur 5·
Figuren 7a und 7b Schaltungen von Netzgleichrichtern in einphasiger Ausführung mit einem auch die Funkstörspannung dämpfenden Glied (T-Anordnung).
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Figuren 8a und 8b Diagramme der Funkstörspanntings-Messunoi nn Gleichrichtern gemäß den Figuren 7a und 7b.
Figuren 9a und 9b Schaltungen von Netzgleichrichtern in einphasiger Ausführung mit einem auch die Funkstörspannunji diimpfpndrn Glied (Reihenresonanz-Anordnung).
Figur IO Schaltung eines Netzgleichrichters in dreiphasiger Ausführung (T-Anordnung).
Figur 11 Schaltung eines Netzgleichrichters in dreiphasiger Ausführung (Reihenresonanz-Anordnung).
In den Figuren la und Ib ist ein Einphasen-Doppelweggleichrichter wiedergegeben, bei dem in herkömmlicher Art die Glättung der Gleichspannung hinter dem eigentlichen Gleichrichterteil 1 erfolgt; letzteres besteht aus der Anordnung mehrerer Gleichrichterventile 2. Auf der Gleichstromseite ist ein Siebkondeneator 3 (Figur la) bzw. eine Kombination von Ladekondensator 4, Siebdrossel 5 und Siebkondensator 6 (Figur Ib) angeordnet. Auch die von einem Drehstromgleichrichter (nicht dargestellt) gelieferte Spannung, die bereits eine verhältnismäßig geringe Pulsation aufweist, wurde bisher, falls erforderlich, auf diese Weise weiter geglättet.
In Figur 2 ist der zeitliche Verlauf von Netzspannung 7 und Netzstrom 8 eines solchen herkömmlich ausgeführten Einphasen-Doppelweggleichrichters gezeigt, der der Stromversorgung einer Halbleiterschaltung für den Tonfrequenzbetrieb von Gasentladungslampen - mit einer Wirkleistung von etwa 135 W - dient. Die Pulsation der Gleichspannung ist mit Hilfe eines Siebkondensators auf l6 % herabgesetzt, der Netzleistungsfaktor beträgt 0,56 und der Netzstrom 8 weist infolge des kleinen Stromflußwinkels von nur 44 el hohe Oberwellenanteile auf: Die 3· Harmonische beträgt 88 %, die 5. Harmonische 65 %, die 7. Harmonische 38 % der Grundwelle usw. Auch der Drehstromgleichrichter hat ohne weitere Glättunfj auf der Gleichstromseite einen Strom-
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flußwinkel von nur 60 el, welcher bei zusätzlicher Glättung weiter verkleinert wird; er weist also die ähnlichen Nachteile auf wie der Einphasengleichrichter, wenn auch in etwas vermindertem Maße.
Die weiteren Figuren geben dann erfindungsgemäße Ausführungen und Betriebsdiagramme von oberwellenarmen Netzgleichrichtern mit Glättung wieder. - In Figur 3 ist ein Einphasen-Doppelweggleichrichter gezeigt. Zwischen Netz 9, 10 und Gleichrichtereingang 11, 12 ist eine entsprechend der gewünschten Leistungsabgabe des Gleichrichters dimensionierte Speicherdrossel (D) geschaltet. Bei dem hier vorliegenden einphasigen Netz 9« 10 ist die Speicherdrossel (θ) 13 in der phasenführenden Netzzuleitung l4 angeordnet. Parallel zum Gleichrichtereingang 11, liegt der Speicherkondensator (Cl) l6 mit einer der Drosselimpedanz angepaßten Kapazität (Anordnung als T-Glied). Auf der Gleichstromseite des Gleichrichters 1 ist der Siebkondensator (C2) 17 angeordnet, dessen Kapazität für eine bestimmte zulässige Pulsation beträchtlich kleiner sein kann, als sie ohne wechselstromseitiges Umformglied sein müßte. Der Siebkondensator 17 liegt in üblicher Schaltung parallel zum Ausgang l8, 19 des Gleichrichterteils 1.
Für ein elektronisches Vorschaltgerät, bestimmt 'zum Tonfrequenzbetrieb von Entladungslampen mit einer Leistung von 135 V, wurde ein Netzgleichrichter in der vorstehend beschriebenen Anordnung (Figur 3) gebaut und so ausgelegt, daß die Oberwellen des Netzstromes die nach IEC bzw. VDE 0712 Teil 2 zulässigen Werte nicht überschreiten. Dieses Gerät weist folgende charakteristische Werte auf:
Impedanz der Drossel D Z= 163Λ (bei 50 Hz) Scheinleistung der Drossel D P5 = 90 VA Speicherkondensator Cl C = 3,4 pF Siebkondensator C2 C = 40 pF Netzspannung Un = 220 V
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= 0,74 2950411 A
1N = 0,94
λΝ = 20 %
3.H = 6 %
5·Η = 2 %
7- H SE ^l %
>7.Η = 12 %
P = 135 W
PL = 15 W
PVZ
Netzstrom
Netζleistungsfaktor
3. Harmonische des Netzstromes
5. Harmonische des Netzstromes
7* Harmonische des Netzstromes
>7. Harmonische des Netzstromes
Pulsation der Gleichspannung
LampenIeistung
gesamte Geräteverluste
Die Netzstromoberwellen liegen alle gut innerhalb der zulässigen Grenzen und der Netzleistungsfaktor konnte mit 0,94 auf einen sehr hohen Wert angehoben werden. Die Verluste des elektronischen Vorschaltgerätes wurden infolge der niedrigeren Pulsation um etwa 3 V vermindert, wodurch die durch die Speicherdrossel (D) hervorgerufenen Verluste zum Teil kompensiert werden und die Gesamtverluste nur 15 V betragen, woraus sich ein Gesamtwirkungsgrad von 0,9 ergibt.
In den Figuren 4a und 4b sind die Betriebsoszillogramme dieser obenwellenarmen Gleichrichtervorrichtung (nach Fig. 3) gezeigt, der Übersichtlichkeit wegen in zwei Teilbilder aufgeteilt. Die Kurve 20 stellt die Netzspannung, die Kurve 21 den Netzstrom dar. Der von den Gleichrichterventilen aufgenommene Wechselstrom ist mit der Kurve 22 wiedergegeben. Des weiteren zeigt die Kurve 23 die Spannung des Speicherkondensators (Cl), die Kurve 24 die Spannung der Speicherdrossel (D) und die Kurve 25 den Strom des Speicherkondensators (Cl).
In Figur 5 ist die zweite wirtschaftliche Schaltungsmöglichkeit eines oberwellenarmen Netzgleichrichters - mit Glättung der Gleichspannung - gezeigt. Zwischen Netz 9, 10 und Gleichrichterteil 1 ist ein Reihenresonanzkreis geschaltet, bestehend aus der Speicherdrossel (D) 26 und dem Speicherkondensator (Cl) 27, dessen Kapazität der Drosselimpedanz angepaßt ist. Auf der Gleichstromseite des Gleichrichterteils 1 liegt der Siebkonden-
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sator (C2) 28, dessen Kapazität ebenso wie bei der ersten mit T-Glied arbeitenden Schaltung (Fig. 3) für eine bestimmte zulässige Pulsation der Gleichspannung beträchtlich kleiner sein kann als sie ohne wechselstromseitiges Umformglied erforderlich wäre. Die Schaltung kann in ihrer Wirkung - bezüglich Netzstrom-Oberwelligkeit und Leistungsfaktor - noch verbessert werden, wenn ein zusätzlicher Korrekturkondensator (C3) 29 zum Gleichrichtereingang 11, 12 parallel geschaltet wird.
Für ein elektronisches Vorschaltgerät, bestimmt zum Tonfrequenzbetrieb von Entladungslampen mit einer Leistung von 135 V, wurde ein Netzgleichrichter in der vorstehend beschriebenen Anordnung (Fig. 5) gebaut und getestet. Folgende charakteristische Werte sind zu nennen:
Impedanz der Drossel D
Scheinleistung der Drossel D
Speicherkondensator Cl
Siebkondensator C2
Korrekturkondensator C3
Netzspannung
Netzstrom
Gesamtleistung
LampenIeistung
Netζleistungsfaktor
Pulsation der Gleichspannung
3. Harmonische des Netzstromes
r». Harmonische des Netzstromes
7. Harmonische des Nctzstrones
9. Harmonische des Netzstromes
>9. Harmonische des Netzstromes >9·Η = <1 %
Die Netzstrom-Oberwellen sind ähnlich wie bei der ersten Gleichrichterausführung mit T-Glied (entsprechend Fig. 3)« das gleiche gilt für die Geräteverluste mit insgesamt 15 W, etwas günstiger ist der Netzleistungsfaktor mit 0,95 gegenüber 0,94. Die erfor-
13 0 0 2 5/036-
Z I66JI (bei 50 Hz) L uF
ps 90 v/ HF
C 19,2
C = 45 V
C 0,95 mA
UN 220 W
1N 720 W
PG 150
PL 135 *
0,95 %
P 12 %
3.H 23 %
5.H = 5,8 %
7.H = 3,1
9.H = 1,6
derliche Größe der Speicherdrossel (D) ist in beiden Fällen die gleiche, desgleichen die für den Speicherkondensntor (Cl) erforderliche Scheinleistung, wobei im Falle der Anwendung ilen T-Gliedes die Kondensatorspannung 310 V und seine Kapazität 3,4 pF, bei Anwendung des Reihenresonanzkreises die Kondensntorspannung 115 V und seine Kapazität 19,2 pF beträgt. Etwns aufwendiger ist die zweite Schaltung infolge des Korrekturkondensators (C3),der zwar nicht unbedingt notwendig ist, jedoch eine deutliche Verbesserung der erreichbaren Gleichrichtereigenschaften ergibt, die sonst mit einer Vergrößerung der Speicherdrossel erkauft werden müßte.
Die Hauptunterschiede der beiden Schaltungen nach Fig. 3 und bestehen darin, daß beim Gleichrichter mit dem T-Glied (Fig. 3) die abgegebene Gleichspannung 300...320 V ist, während sie bei dem Gleichrichter mit Reihenresonanzkreis (Fig. 5) nur 225... 235 V (bei 220 V Netzspannung) beträgt. Die Gleichrichtervorrichtung mit der Anordnung des T-Gliedes ist in den meisten Fällen vorteilhafter.
In den Figuren 6a und 6b sind die Betriebsoszillogramme der oberwellenarmen Gleichrichtervorrichtung mit Reihenresonanzkreis (nach Fig. 5)gezeigt, der Übersichtlichkeit wegen in zwei Teilbilder aufgeteilt. Die Kurve 30 stellt den Netzstrom, die Kurve 31 die Netzspannung dar. Des weiteren zeigt die Kurve die Spannung der Speicherdrossel (D), die Kurve 33 die Spannung über Speicherdrossel (D) und Speicherkondensator (Cl) und die Kurve 3^ die Spannung des Speicherkondensators (Cl). Mit der Kurve 35 ist die Spannung und mit der Kurve 36 der Strom des Korrekturkondensators (C3) dargestellt. Der von den Gleichrichterventilen aufgenommene Wechselstrom ist durch die Kurve 37 wiedergegeben.
Die Schaltungen eines oberwellenarmen Netzgleichrichters (Einphasengleichrichter) für gleichzeitige Verminderung der Funkstörspannung sind in den Figuren 7a und 7b gezeigt (Ausführungen
13002 5/036".
entsprechend der Anordnung mit T-Glied). - In Figur 7a besteht die Speicherdrossel (D) 38 aus zwei Teilwicklungen 39,4O auf einem gemeinsamen Kern 4l. Der Speicherkondensator (Cl) 42 liegt zum Gleichrichtereingang 11, 12 parallel} der Siebkondensator (C2) 43 überbrückt den Ausgang l8, 19 des Gleichrichterteils 1. In Figur 7b ist die Speicherdrossel (D) in zwei Teildrosseln 44, 45 - mit jeweils der halben Induktivität bzw. Scheinleistung - unterteilt. Speicherkondensator (Cl) 46 und Siebkondensator (C2) 47 sind wie in Figur 7a angeordnet. In den Figuren 8a und 8b ist die Funkstörspannung (FS) bzw. der Funkstörspannungs-Pegel (FS-P) in Abhängigkeit von der Frequenz (n) für ein elektronisches Vorschaltgerät, belastet mit Gasentladungslampen von 135 V Leistung, aufgetragen. Das Vorschaltgerät mit oberwellenarmem Netzgleichrichter (Verlustleistung 15 W) ist an 220 V/50 Hz betrieben; die Betriebsfrequenz für die Lampen beträgt 25 kHz. Die Meßkurven I bis V sind in die üblichen Datenblätter für Funkstörspannungs-Messung eingetragen (es ist nur der grafische Teil des Blattes wiedergegeben). Die Kurve I zeigt in beiden Figuren die Funkstörspannung bei Speisung des Gerätes mit Hilfe eines der heute üblichen Gleichrichter, während die Kurven II und IV die Funkstörspannung bei Verwendung des oberwellenarmen Netzgleichrichters darstellen, und zwar die Kurve II in Figur 8a bei Verwendung einer Speicherdrossel (D) mit unterteilter Wicklung (nach Fig. 7a) und die Kurve IV in Figur 8b bei Unterteilung der Speicherdrossel (D) in zwei Teildrosseln (nach Fig. 7b). Der Speicherkondensator hat jeweils eine Kapazität von 3,4 pF. Die Kurven III und V zeigen die Funkstörspannung einer durch ein zusätzliches Entstörglied vorschriftsmäßig entstörten Leuchte, wobei der oberwellenarme Netzgleichrichter mit in zwei Teildrosseln unterteilter Speicherdrossel (D) - entsprechend Kurve V - ein beträchtlich kleineres Entstörglied benötigt als bei Einsatz einer Speicherdrossel (D) mit unterteilter Wicklung - entsprechend Kurve III. Die Daten der verwendeten Entstörglieder sind für die Figur 8a: "O,03 pFX ♦ 2x2500 pFY + 2x4 mH" und für die Figur 8b: "0,03 "FX + 2x2500 pFY + 2x1 mH".
In den Figuren 9a und 9b sind weitere Schaltungen eines oberwellenarmen Wetzgleichrichters (Einphasengleichrichter) für gleichzeitige Verminderung der Funkstörspannung gezeigt (Ausführungen entsprechend der Anordnung mit Reihenresonanzfil ί*·<0 . In Figur 9a besteht die Speicherdrossel (D) 48 aus zwei Toilwicklungen 4$, 50 auf einem gemeinsamen Kern 51» wobei die Teilwicklungen 49, 50 jeweils in eine Netzzuleitung l4 bzw. 15 geschaltet sind. Der Speicherkondensator (Cl) 52 liegt mit der Speicherdrossel (D) 48 in Reihe. Ein zusätzlicher Korrekturkondensator {C3) 53 kann dem Gleichrichtereingang 11, 12 parallel geschaltet sein. Der Siebkondensator (C2) 54 ist wie üblich angeordnet. Jn Figur 9b ist die Speicherdrossel (D) in zwei Teildrosseln 55* 56 - mit jeweils der halben Induktivität bzw. Scheinleistung - unterteilt. Speicherkondensator (Cl) 57, möglicher Korrekturkondensator (C3) 58 und Siebkondensator (C2) 59 sind entsprechend in Figur 9a angeordnet. Die Kurven für die Restfunkstörung in Abhängigkeit von der angewendeten Schaltung sind annähernd die gleichen, wie sie die Gleichrichter mit dem T-Glied ergeben haben (Figuren 8a und 8b).
Die Figuren 10 und 11 geben die Schaltbilder eines oberwellenarmen und fuhkstördämpfenden Netzgleichrichters für Drehstrom wieder. Es ipt ein übliches Gleichrichterteil 60 gezeigt, das aus den entsprechend angeordneten Gleichrichterventilen 6l besteht. Dieser Drehstromgleichrichter hat drei Eingänge 62, 63, 64 und die beiden Ausgänge 65« 66. Bei der Anordnung in Fig.10 ist in jede der drei phasenführenden Netzzuleitungen 67, 68, - diese sind; mit dem Drehstromnetz 70, 71« 72 verbunden - eine Speicherdrossel (D) 73, 74, 75 geschaltet, wobei jeweils zwei Gleichrichtereingänge von einem Speicherkondensator (Cl) 76, 77, 78 überbrückt sind (entspricht der Ausführung mit T-Glied). Da ein solcher Drehstromgleichrichter bereits eine recht geringe Pulsation am Ausgang 65« 66 aufweist, ist ein Siebkondensator (C2) 79 nicht unbedingt erforderlich. Durch einen solchen kann jedoch die Pulsation weiter vermindert werden. In Figur 11 ist eine Ausführung mit Reihenresonanzgliedern gezeigt. Die Speicher-
130025/036·
drosseln (D) 80, 8l, 82 sind wie in Figur 10 angeordnet; des weiteren ,ist in jede der drei Gleichrichterzuleitungen 67, 68, 69 ein Speicherkondensator (Cl) 83, 84, 85 geschaltet. Bei dieser Anordnung können noch Korrekturkondensatoren (C3) 86, 87, 88 vorhanden sein. Der Siebkondensator (C2) 89 ist wie üblich angeordnet.
1 30025/03Θ
L e e r s e 11 e

Claims (1)

  1. Patentansprüche
    /l.jGleichrichtervorrichtung mit gesiebter Ausgangsspannung, die eine Anordnung von Gleichrichterventilen (Gleichrichterteil) sowie einen deren Ausgang überbrückenden Siebkondensator enthält, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Vechselstromseite die entsprechend dimensionierte Kombination einer Speicherdrossel (D) und eines Speicherkondensators (Cl) angeordnet ist, durch die aus der sinusförmigen Netzspannung eine annähernd rechteckförmige bzw. trapezförmige Spannung - zur Speisung des Gleichrichterteils - gebildet wird.
    2* Gleichrichtervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die direkt dem- Netz nachgeordnete Speicherdrossel (D) und der Eingang des Gleichrichterteils in Reihe geschaltet sind und der Speicherkondensator (Cl) - mit einer der Drosselimpedanz angepaßten Kapazität - zum Gleichrichtereingang parallel liegt.
    3· Gleichrichtervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die direkt dem Netz nachgeordnete Speicherdrossel (D) und der Speicherkondensator (Cl) - mit einer der Drosselimpedanz angepaßten Kapazität - sowie der Eingang des Gleichrichterteils in Reihe geschaltet sind.
    4. Gleichrichtervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Korrekturkondensator (C3) vorgesehen ist, der zum Gleichrichtereingang parallel liegt.
    5· Gleichrichtervorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einphasigem Netz die Speicherdrossel (D) in die phasenführende Netzzuleitung geschaltet ist.
    130025/0 36 7
    ORIGINAL INSPECTED
    •a·
    6. Gleichrichtervorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einphasigem Netz die Speicherdrossel (D) in zwei Teildrosseln unterteilt ist, die jeweils in eine Netzzuleitung geschaltet sind.
    7· Gleichrichtervorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einphasigem Netz die Speicherdrossel (D) aus zwei Teilwicklungen auf einem gemeinsamen Kern besteht, und daß die Teilwicklungen jeweils in eine Netzzuleitung geschaltet sind.
    8. Gleichrichtervorrichtung nach Anspruch 1 bis "4, dadurch gekennzeichnet, daß bei dreiphasigem Netz in jede der drei Netzzuleitungen eine Speicherdrossel (D) geschaltet ist.
    9· Gleichrichtervorrichtung nach Anspruch 1, 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Gleichrichtereingänge von einem Speicherkondensator (Cl) überbrückt sind.
    10. Gleichrichtervorrichtung nach Anspruch 1, 3» ^ und 8, dadurch gekennzeichnet, daß in jede der drei Gleichrichterzuleitungen ein Speicherkondensator (Cl) geschaltet ist.
    11. Gleichrichtervorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Gleichrichtereingänge von einem Korrekturkondensator (C3) überbrückt sind.
    12. Gleichrichtervorrichtung nach Anspruch 1, 2 und 5 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz der Kombination Speicherdrossel (D) und Speicherkondensator (Cl) größor als die 2-fache und kleiner als die 3-fache Netzfrequenz ist.
    13. Gleichrichtervorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz der Kombination Speicherdrossel (D) und Speicherkondensator (Cl) gleich der 2,2- bis 2,6-fachen Netzfrequenz ist.
    130 0 2 5"/7O 3 6 "
    295Ü411
    l4. Gleichrichtervorrichtung nach Anspruch 1 und 3 bis 8 sowie 10, 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz der Kombination Speicherdrossel (D) und Speicherkondensator (Cl) etwa gleich der Netzfrequenz ist.
    15· Gleichrichtervorrichtung nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheinleistung der Speicherdropsp1 (D) bei Netzfrequenz etwa das 0,6-fache der v.w lipfornrion V i rkleistung beträgt.
    l6. Gleichrichtervorrichtung nach Anspruch 4 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des Korrekturkondensators (C3) etwa 5 % der Kapazität des Speicherkondensators (Cl) beträgt.
    13 0 0 2 5/0367
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