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Dokumentenidentifikation DE3534979A1 29.01.1987
Titel Netzgerät
Anmelder Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH, 6000 Frankfurt, DE
Erfinder Beeken, Horst, Dipl.-Ing.;
Vitters, Hans-Heinrich, Dipl.-Ing., 1000 Berlin, DE
DE-Anmeldedatum 01.10.1985
DE-Aktenzeichen 3534979
Offenlegungstag 29.01.1987
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.01.1987
IPC-Hauptklasse H03F 3/24
IPC-Nebenklasse H02M 7/10   H02J 1/10   H03C 1/20   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Netzgerät, insbesondere für die Erzeugung einer modulierten Anodenspannung für eine Endstufe eines Leistungssenders, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Für einen beispielhaft gewählten Hochfrequenz-Hochleistungssender mit einer beispielhaften Ausgangsleistung von ungefähr 500 kW und einer anodenmodulierten Hochfrequenzendstufenröhre ist es erforderlich, daß dieser eine mit einem Niederfrequenz (NF)-Signal amplitudenmodulierte Anodenspannung von ungefähr 30 kV zugeführt wird. Ein solcher Leistungssender sollte einen möglichst guten Wirkungsgrad besitzen.

Es sind Schaltverstärker bekannt, mit denen es möglich ist, mehrere schaltbare Gleichspannungssignale längs einer Diodenkaskade aufzusummieren, so daß die gewünschte Ausgangs- Hochspannung entsteht. Werden diese einzelnen Gleichspannungssignale in Abhängigkeit von einem NF-Signal geschaltet, so kann das Ausgangs-Hochspannungssignal als verstärktes NF-Signal betrachtet werden. Der Schaltverstärker enthält einen Netztransformator, der mindestens eine Primärwicklung enthält und eine Vielzahl von Sekundärwicklungen, die elektrisch nicht miteinander verbunden sind.

Dadurch ist es möglich, sekundärseitig sogenannte schwimmende Gleichspannungsquellen herzustellen, die im wesentlichen gleiche Ausgangsspannungen erzeugen und mit denen die erwähnte Summation erfolgt.

Eine solche Summation ist schematisch in Fig. 1 dargestellt, in der eine Gleichspannung U in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt ist. Die mit UA bezeichnete Kurve stelle eine zu erzeugende amplitudenmodulierte Anodenspannung dar. Diese wird angenähert durch die beispielhaft dargestellte Summation der im wesentlichen gleichen Einzel- Gleichspannungen U1 bis U5.

Aus der Figur ist ersichtlich, daß eine derartige Summation in nachteiliger Weise zu einer sehr ungleichmäßigen Belastungszeit der einzelnen Gleichspannungsquellen führt. Beispielsweise muß die zur Einzel-Gleichspannung U1 gehörende Gleichspannungsquelle zum Zeitpunkt t1 eingeschaltet und zum Zeitpunkt t10 ausgeschaltet werden während die zur Einzel-Gleichspannung U5 gehörende Gleichspannungsquelle erst zu dem wesentlich späteren Zeitpunkt t5 eingeschaltet wird und zu dem wesentlich früheren Zeitpunkt t6 ausgeschaltet wird. In diesem Beispiel ist die zur Einzel- Gleichspannung U1 gehörende Gleichspannungsquelle ungefähr zweimal so lange belastet wie die zur Einzel- Gleichspannung U5 gehörende Gleichspannungsquelle.

Es ist nun naheliegend, die einzelnen Gleichspannungsquellen so aufzubauen, daß sie an die unterschiedlichen Belastungen angepaßt sind. Eine derartige Anpassung ist aber in nachteiliger Weise bei einer industriellen Serienfertigung sehr unwirtschaftlich.

Zur Vermeidung dieses Nachteils ist es weiterhin naheliegend, alle Gleichspannungsquellen für die größtmögliche Belastung aufzubauen. Ein solcher Aufbau ist ebenfalls lediglich in unwirtschaftlicher Weise herstellbar.

Es ist weiterhin erwünscht, den Wert der Einzel-Gleichspannungen möglichst klein zu wählen, um die in Fig. 1 dargestellte Stufenstruktur zu vermieden. Dadurch ist die Erzeugung einer modulierten Anodenspannung möglich, die einen geringen Klirrfaktor besitzt.

Aus der europäischen Patentanmeldung 01 24 765 ist es bekannt, daß eine Überwachungseinheit die Betriebsparameter der einzelnen in Reihe geschalteten Netzgeräte überwacht und mit Hilfe einer Rückkopplungsschleife einem Rechner oder einer Ansteuereinheit zuführt, die dann die Entscheidung trifft, welches Netzgerät wann und wie lange eingeschaltet wird. Der Zweck dieser Einrichtung ist es, die Belastung aller Netzgeräte möglichst gleich zu halten um eine Minimierung der Belastung dieser Bausteine zu erreichen.

Als nachteilig ist es zu betrachten, daß die Berechnung der Wahl der Einzelnetzgeräte nur auf die optimale Belastung und nicht auf die elektrische Geometrie des verwendeten Transformators Rücksicht nimmt. Weiterhin bedeutet es einen nicht unerheblichen Aufwand, bei jedem Netzgerät die Betriebsparameter zu messen und dann zu entscheiden, welches Teilnetzgerät geschaltet werden soll.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßen Netzgerät dahingehend zu verbessern, daß insbesondere die Erzeugung einer amplitudenmodulierten Anodenspannung mit einem geringen Klirrfaktor möglich ist für einen Hochfrequenz-Hochleistungssender, daß dabei die elektrischen Eigenschaften des Netztransformator sowie der Teilnetzgeräte derart berücksichtigt sind, daß insbesondere ein im wesentlichen konstanter Innenwiderstand vorhanden ist, und daß ein solches Netzgerät kostengünstig herstellbar ist, insbesondere bei einer industriellen Serienfertigung.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Der erste Vorteil ergibt sich daraus, daß während eines vorgebbaren Zeitintervalles immer alle Teilnetzgeräte nach einem fest vorgebbaren Schaltschema geschaltet werden, so daß der erforderliche Netztransformator im wesentlichen gleichmäßig belastet wird. Ein Rechner bzw. eine Überwachungseinheit mit einer Rückkopplungsschleife ist also nicht erforderlich. Dadurch wird erreicht, daß alle Teilnetzgeräte im wesentlichen den gleichen elektrischen Innenwiderstand besitzen. Dadurch wird erreicht, daß bei jedem Teilnetzgerät eine im wesentlichen unabhängige Ausgangsgleichspannung entsteht. Eine Summation mehrerer solcher Ausgangsgleichspannungen ermöglicht daher insbesondere das erwähnte modulierte Hochspannungssignal, das einen geringen Klirrfaktor besitzt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3.

Die Erfindung beruht auf der überraschenden Erkenntnis, daß es bei einem Netztransformator mit einer Vielzahl von in Kammern gewickelten Sekundärwicklungen möglich ist, immer eine Gruppe der Sekundärwicklungen derart zu schalten, daß die elektrischen Eigenschaften des Netztransformators im wesentlichen konstant bleiben. Dadurch bleibt auch der Innenwiderstand der mit den Sekundärwicklungen hergestellten Teilnetzgeräte im wesentlichen konstant.

Dieses Verhalten eines Netztransformators wird im folgenden anhand der Fig. 2a und 2b erläutert. Fig. 2a zeigt einen beispielhaften Netztransformator mit einer Primärwicklung P sowie siebzehn in nebeneinanderliegenden Kammern gewickelten Sekundärwicklungen S1 bis S17, die von einem Ende beginnend fortlaufend numeriert sind. Die Primärwicklung ist an eine Wechselspannungsquelle Q angeschlossen. Wird bei einer derartigen Anordnung der Blindanteil bei sekundärseitigem Nennstrom von einer oder mehreren kurzgeschlossenen Sekundärwicklungen gemessen, so ergeben sich beispielsweise die Meßkurven gemäß Fig. 2b.

In Fig. 2b ist auf der Ordinate der Blindanteil Ux in Prozent aufgetragen, bezogen auf die primärseitig gemessene effektive Wechselspannung. Der Realanteil UR ist bei großen Transformatoren vernachlässigbar. Bei der Meßkurve M1 ist jeweils lediglich eine einzige der Sekundärwicklungen S1 bis S17 kurzgeschlossen, deren Nummer durch die auf der Abszisse aufgetragene Zahl n bestimmt wird. Beim Kurzschluß der Sekundärwicklung S1 ist daher der Blindanteil Ux beispielsweise ungefähr 3% größer als beim Kurzschluß der Sekundärwicklung S8.

Die Meßkurven M2 und M3 zeigen den prozentzualen Blindanteil Ux für den Fall, daß mehrere Sekundärwicklungen gleichzeitig kurzgeschlossen sind. Die auf der Abszisse aufgetragene Zahl n gibt dabei die Anzahl der kurzgeschlossenen Sekundärwicklungen an. Bei der Meßkurve M2 werden nur ausgehend von der Sekundärwicklung S1 (n = 1) nacheinander alle Sekundärwicklungen kurzgeschlossen und jeweils der prozentuale Blindanteil Ux gemessen. Beispielsweise sind bei n = 7 die Sekundärwicklungen S1 bis S7 kurzgeschlossen und bei n = 17 die Sekundärwicklungen S1 bis S17. Bei dieser Meßkurve M2 ändert sich der Blindanteil Ux sehr wesentlich von ungefähr 6% auf ungefähr 17%.

Bei der Meßkurve M3 gibt die Zahl n ebenfalls die Anzahl der kurzgeschlossenen Sekundärwicklungen an. Diese sind jedoch nach einem besonderen Plan kurzgeschlossen. Beispielsweise ist für n = 1 lediglich die Sekundärwicklung S1 kurzgeschlossen. Bei n = 4 sind beispielsweise die Sekundärwicklungen S1, S6, S8 und S9 kurzgeschlossen. Aus der Meßkurve M3 ist ersichtlich, daß durch diese Maßnahme die Schwankung des Prozentualen Blindanteils Ux erheblich verringert wird.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Netzgerätes, mit dem eine stufenweise schaltbare Gleichspannung bis ungefähr 30 kV bei ungefähr 40 A in Stufen von ungefähr 600 V möglich wird. Das schematisch dargestellte Netzgerät besteht aus einem Netztransformator mit einer Primärwicklung P, die beispielsweise für eine Netz-Wechselspannungsquelle von 380 V und 50 Hz ausgelegt ist. Dieser Netztransformator besitzt beispielsweise n Sekundärwicklungen S1 bis Sn, mit z. B. n = 50, die jeweils Bestandteil eines zugehörigen Teilnetzgerätes T1 bis Tn sind.

Jedes Teilnetzgerät T1 bis Tn enthält für die in den Sekundärwicklungen S1 bis Sn jeweils erzeugten Wechselspannungen eine beispielhafte Gleichrichtung NG1 bis NGn. Die erzeugten Gleichspannungen U1 bis Un, die jeweils ungefähr 600 V betragen und im wesentlichen gleich sind, werden geschaltet durch Schalter Sch1 bis Schn, die vorzugsweise als Halbleiter-Schalter ausgebildet sind. Diese Schalter werden angesteuert durch eine Schalteinheit St, die beispielsweise aus einem Analog-Digitalwandler AD, einer fest programmierbaren Steuereinheit (PS) sowie einer Ausgabeeinheit A besteht, deren Ausgänge A1 bis An mit den Schaltern Sch1 bis Schn verbunden sind und diese ansteuern. Der elektrische Eingang E der Schalteinheit ist mit einem Gleichspannungsgekoppelten Modulationssignal verbunden, z. B. einem NF-Signal mit einer Bandbreite von ungefähr 7,5 kHz. Diese Schalteinheit St ist so ausgebildet, daß immer eine dem Momentanwert der Amplitude des Modulationssignals entsprechende Anzahl von Teilnetzgeräten über die entsprechenden Schalter geschaltet wird unter Berücksichtigung eines gemessenen Schaltplanes einer der meßkurve M3 (Fig. 2b) entsprechenden Meßkurve. Dieser Schaltplan ist in die programmierbare Steuereinheit PS fest einprogrammiert, z. B. in einem programmierbarem Nurlesespeicher, der auch als PROM ("programmable-read- only-memory") bezeichnet wird. Dementsprechend wird bei einem geringen Momentanwert der Amplitude des Modulationssignals beispielsweise zunächst das Teilnetzgerät T1 eingeschaltet. Bei stetig zunehmendem Momentanwert werden dann beispielsweise nacheinander die Teilnetzgeräte T6, T27 sowie T48 eingeschaltet. Wächst der Momentanwert auf seinen Maximalwert, so sind beispielsweise insgesamt 48 Teilnetzgeräte eingeschaltet, wobei die Reihenfolge durch den gespeicherten Schaltplan festgelegt ist. Verringert sich nun der Momentanwert, so werden zunächst die zuerst eingeschalteten Teilnetzgeräte abgeschaltet, d. h. zuerst T1, dann T6, dann T27, dann T48 und so weiter.

Dieser Sachverhalt ist auch dadurch beschreibbar, daß die dem Momentanwert entsprechende Anzahl der Teilnetzgeräte zu einem Sektor zusammengefaßt werden, der innerhalb der ringförmig angeordneten Gesamtzahl (Schaltring) der Teilnetzgeräte rotiert mit einer Rotationsfrequenz, die wesentlich kleiner ist als die Frequenz des Modulationssignals. Durch diese Umschaltung wird vorteilhafterweise eine sehr gleichmäßige elektrische Belastung des Netztransformators erreicht. Dadurch ergibt sich ein im wesentlichen gleicher elektrischer Innenwiderstand aller Teilnetzgeräte, so daß durch deren Umschaltung kein zusätzlicher Klirrfaktor erzeugt wird bei einer beispielhaften anschließenden Summierung der Ausgangsspannungen der Teilnetzgeräte.

Insbesondere bei einem Hochfrequenzsender ist eine Betriebsart vorhanden, bei der kein Modulationssignal, z. B. ein NF-Signal, vorhanden ist. In einem solchen Fall soll jedoch am Ausgang des Netzgerätes eine bestimmte Spannung vorhanden sein, welche der Einstellung: Senden der unmodulierten Trägerfrequenz entspricht. Für diese Betriebsart ist es erforderlich, die beispielhaft erwähnte programmierbare Steuereinheit PS so zu programmieren, daß lediglich immer eine bestimmte Anzahl von Teilnetzgeräten eingeschaltet ist.

Diese Teilnetzgeräte sind zu einem Sektor zusammengefaßt, der innerhalb des Schaltringes umläuft (rotiert) mit einer fest einprogrammierten Frequenz von z. B. 200 Hz, so daß auch hier eine gleichmäßige Belastung der Teilnetzgeräte und des Netztransformators erreicht wird. Eine ähnliche Zwangsrotation wird erzeugt, wenn das Modulationssignal als Gleichspannungssignal ausgebildet ist. Bei Ausfall eines oder mehreren Teilnetzgeräten wird mit Hilfe der programmierbaren Steuereinheit der Schaltring entsprechend verkleinert, so daß wieder optimale Belastungsverhältnisse entstehen.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern sinngemäß auf weitere anwendbar. Beispielsweise ist es möglich, den erwähnten einen einzigen Netztransformator durch mehrere zu ersetzen, deren einzelne Teilnetzgeräte dann in der beschriebenen Weise geschaltet werden. Weiterhin ist es beispielsweise möglich, die Schalteinheit St durch andere elektronische Logikbauelemente zu ersetzen, die derart verknüpft sind, daß die erwähnte Umschaltung ermöglicht wird.

Soll beispielsweise ein hochstabiles unmoduliertes Trägersignal ausgesandt werden, so ist es zweckmäßig, daß durch die Steuereinheit (PS) lediglich diejenigen Teilnetzgeräte eingeschaltet werden, die zum Erzeugen der erforderlichen Gleichspannung benötigt werden. Die Teilnetzgeräte werden dabei in der beschriebenen Weise durch die Steuereinheit so ausgewählt, daß eine optimale Belastung des Transformators erreicht wird. Unter normalen Betriebsbedingungen, das heißt, sofern kein Störfall vorliegt, wird keine Umschaltung der Teilnetzgeräte vorgenommen, um mögliche geringfügige Amplitudenschwankungen des Trägers zu vermeiden, welche durch den Umschaltvorgang entstehen.


Anspruch[de]
  1. 1. Netzgerät, insbesondere für die Erzeugung einer modulierten Anodenspannung für eine Endstufe eines Leistungssenders, bestehend aus mindestens einem Netztransformator mit jeweils mindestens einer Primärwicklung, mehreren Sekundärwicklungen, die Bestandteil von Teilnetzgeräten (T1 bis Tn) sind zur Erzeugung unabhängig voneinander schalt- sowie addierbarer Gleichspannungen, die gesteuert werden durch eine Schalteinheit (St) an derem elektrischen Eingang (E) eine zu verstärkende Modulationsspannung anliegt und deren elektrische Ausgänge (A1 bis An) mit Schaltern (Sch1 bis Schn) der Teilnetzgeräte (T1 bis Tn) verbunden sind, die mit Hilfe der Schalter (Sch1 bis Schn) eine vom Momentanwert der Amplitude der Modulationsspannung abhängige Steuerung der Teilnetzgeräte (T1 bis Tn) bewirkt, dadurch gekennzeichnet,

    - daß die Schalteinheit (St) eine fest programmierbare Steuereinheit (PS) enthält, durch welche die Teilnetzgeräte (T1 bis Tn) zu einem Schaltring verknüpft sind, in dem benachbarte Teilnetzgeräte lediglich in Abhängigkeit von ihren elektrischen Eigenschaften derart ausgewählt sind, daß in dem Schaltring beim Schalten gleich großer Sektoren im wesentlichen gleich große Spannungssprünge bei im wesentlichen gleichgroßen Innenwiderständen vorhanden sind, und

    - daß die Steuereinheit (PS) derart eingestellt ist, daß beim Erhöhen des Momentanwerts der Modulationsspannung selbsttätig am Anfang eines Sektors ein fortlaufendes Zuschalten von Teilnetzgeräten erfolgt während beim Erniedrigen des Momentanwertes selbsttätig am Ende des Sektors ein fortlaufendes Abschalten von Teilnetzgeräten erfolgt.
  2. 2. Netzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (PS) derart eingestellt ist, daß die Teilnetzgeräte (T1 bis Tn) zyklisch umlaufend umgeschaltet werden innerhalb des Schaltringes.
  3. 3. Netzgerät nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

    - daß die Steuereinheit (PS) bei fehlender Modulationsspannung innerhalb des Schaltringes einen festen Sektor auswählt, in dem soviele Teilnetzgeräte vorhanden sind, daß die Aussendung eines Hochfrequenz- Trägersignals gewährleistet ist, und

    - daß die Steuereinheit (PS) innerhalb des Schaltringes ein periodisches Umlaufen dieses festen Sektor bewirkt derart, daß eine im wesentlichen gleichmäßige Belastung des Transformators sowie der Teilnetzgeräte (T1 bis Tn) erfolgt.
  4. 4. Netzgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (PS) zum Umlaufen des festen Sektors eine Schaltfrequenz erzeugt, die größer ist als die in einem Teilnetzgerät verwendete Siebkettenresonanzfrequenz.
  5. 5. Netzgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Schaltring mindestens eine Teilnetzgerät mehr vorhanden ist als in dem Sektor, der für die Erzeugung der maximalen Spannung erforderlich ist, so daß bei voller Aussteuerung ein Umlaufen des Sektors innerhalb des Schaltringes möglich ist.
  6. 6. Netzgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (Sch1 bis Schn) als Halbleiterschalter ausgebildet sind.
  7. 7. Netzgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der programmierbaren Steuereinheit (PS) ein programmierbarer Nurlesespeicher enthalten ist, in welchem die Reihenfolge der zu schaltenden Teilnetzgeräte einprogrammiert ist entsprechend den gemessenen elektrischen Eigenschaften des Netztransformators.
  8. 8. Netzgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (PS) derart ausgebildet ist, daß bei Ausfall eines oder mehrerer Teilnetzgeräte die restlichen betriebsfähigen Teilnetzgeräte zu einem verkleinerten Schaltring zusammengefaßt werden, der optimale Belastungsverhältnisse ermöglicht, und daß dadurch ein Weiterbetreiben ohne Betriebsunterbrechung möglich ist.
  9. 9. Netzgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (PS) derart ausgebildet ist, daß bei einer als Gleichspannung ausgebildeten Modulationsspannung in dem Schaltring ein zugehöriger umlaufender Sektor gebildet wird.
  10. 10. Netzgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (PS) derart ausgebildet ist, daß zum Aussenden eines unmodulierten Trägersignals lediglich diejenigen Teilnetzgeräte eingeschaltet sind, die zum Erzeugen der erforderlichen Gleichspannung nötig sind, daß unter normalen Betriebsbedingungen ein Umschalten der Teilnetzgeräte vermieden wird und daß die Lage der Teilnetzgeräte derart ausgewählt ist, daß eine optimale Belastung des Transformators vorhanden ist.






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