DE2108347B2 - Verfahren und anordnung zur quasi-stetigen steuerung der in einem dreiphasigen verbraucher umgesetzten leistung - Google Patents

Description

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und danach nacheinander mit Systemfrequenz an die ist, so daß nunmehr im Verbraucherwiderstand 4 ein

Phasenspannungen geschaltet wird. Drittel der Gesamt-Maximalleistung umgesetzt wird.

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind Geht danach die Steuergröße Ue vom Bereich III

den Unteransprüchen zu entnehmen. stetig in den Bereich IV über, dann wird neben der

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in 5 weiter wirksam bleibenden Phase R auch die Phase S der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungs- wirksam. Bei Überschreiten des Pegels c der der Gleichbeispieles näher erläutert. Es zeigt spannung U₂₁ aufgesetzten 25-Hz-Rechteckspannung

F i g. 1 ein Diagramm, das die nacheinander er- werden vom Nullspannungsschalter 8 (F i g. 4) Zündfolgende Zuschaltung der Phasenspannungen in Ab- impulse für den zugeordneten Triac 2 erzeugt, so daß hängigkeit von der Steuergröße zeigt, wobei sich io am Verbraucherwiderstand 5 eine 50-Hz-Wechselinnerhalb jeder Phase die Grundwelle der Betriebs- spannung mit einer Grundwelle von 25 Hz auftritt frequenz am Verbraucher ändert, (Band S₁ in F i g. 1), so daß in den Verbraucherwider-

F i g. 2 ein weiteres Diagramm, welches eine über- ständen 4, 5 die Hälfte der Gesamt-Maximalleistung

läppende Zuschaltung der Verbraucher mit einer umgesetzt wird. Geht die Steuergröße Ue vom Be-

ersten Frequenz und danach mit einer erhöhten Fre- 15 reich IV in den Bereich V über, so wird der Pegel d

quenz in Abhängigkeit von der Steuergröße zeigt, der auf die Gleichspannung U₂₁ aufgesetzten 25-Hz-

F i g. 3 den Verlauf der Verbraucherspannungen in Wechselspannung überschritten, und damit erzeugt

Abhängigkeit von der Steuergröße für den in F i g. 2 neben dem Nullspannungsschalter 7 (F i g. 4) nunmehr

dargestellten Fall, auch der Nullspannungsschalter 8 eine laufende Zünd-

F i g. 4 eine Schaltungsausbildung zur Durch- 20 impulsfolge mit einer Frequenz von 100 Hz (Band 1S₂

führung der beiden Verfahren nach den F i g. 1 und 2, in F i g. 1), wodurch am Verbraucherwiderstand 5

F i g. 5 ein Signaldiagramm für die Ausbildung eine Phasenspannung mit einer Frequenz von 50 Hz

nach der Fig. 3. angeschaltet wird und in den Verbraucherwider-

In der F i g. 1 ist die Steuergröße Ue für die An- ständen 4, 5 zwei Drittel der Gesamt-Maximalleistung Ordnung nach der F i g. 4 aufgetragen und ferner die 25 umgesetzt werden. Wird danach die Steuergröße Ue im Verbraucher umgesetzte Leistung P/P_max. Die weiter vergrößert und erreicht den Bereich VI, wobei Steuergröße kann eine sich stetig ändernde Gleich- der Pegel e der auf die Gleichspannung U₂₇ aufgespannung sein. Aufgetragen sind ferner die Phasen R, setzten 25-Hz-Rechteckspannung überschritten wird, S, T, die in Bänder A₁, R₂, S₁, S₂, T₁, T₂ unterteilt sind. so werden durch den Nullspannungsschalter 9 (F i g. 4)

Bei steigender Steuergröße Ue werden die Phasen- 3° Zündimpulse so erzeugt, daß am Verbraucherwiderspannungen R, S, T an den Verbraucher 4, 5, 6 nach stand 6 eine 50-Hz-Phasenspannung mit einer Grundder F i g. 4 geschaltet, wobei die 50-Hz-Phasen- welle von 25 Hz auftritt (Band T₁ in F i g. 1). In den spannung zuerst mit 25 Hz getaktet wird (in den drei Verbraucherwiderständen 4, 5, 6 werden damit Bändern R₁, S₁, T₁) und danach umgetaktet bleibt (in fünf Sechstel der Gesamt-Maximalleistung umgesetzt, den Bändern R₂, S₂, T₂). Die Phasenspannungen sind 35 Wird die Steuergröße Ue schließlich auf den Bereich VII im Diagramm durch die Strichelung angedeutet. vergrößert, wodurch der Pegel / der auf die Gleich-

Die Erzeugung der Phasenspannungen mit einer spannung U₂₇ aufgesetzten 25-Hz-Rechteckspannung

Taktfrequenz von 25 Hz erfolgt unter Anwendung überschritten wird, so erzeugt der Nullspannungs-

von mit 25 Hz modulierten Gleichspannungen U₁₅, schalter 9 (F i g. 4) eine laufende Zündfolge mit einer

U₂₁, U₂₇ unterschiedlicher Größe, die die Nullspan- 40 Frequenz von 100 Hz, und dementsprechend tritt am

nungsschalter 7, 8, 9 nach der F i g. 4 ansteuern. Verbraucherwiderstand 6 eine Phasenspannung mit

Liegt die Steuergröße Ue im Bereich I, dann einer Frequenz von 50 Hz auf (Band T₂ in F i g. 1). werden vom Nullspannungsschalter 7 (Fig. 4) für Damit ist die Maximalleistung in den drei Verbraucherdie Phase R noch keine Zündimpulse für den Triac 1 widerständen 4, 5, 6 erreicht.
(F i g. 4) der gleichen Phase erzeugt. Entsprechend 45 Beim Verfahren nach der F i g. 1 ergibt sich ein tritt am zugeordneten Verbraucherwiderstand 4 keine Betrieb der Phase R mit 50% und dann mit 100%· Phasenspannung auf, und die Leistung ist Null. Ändert Darauf wird die Phase S mit 50 % und dann mit sich die Steuergröße Ue weiter und tritt in den Be- 100 % zugeschaltet, worauf dann die Phase T mit 50% reich II ein, so werden, wenn die Steuergröße Ue den und dann mit 100 % zugeschaltet wird. Eine symmeunteren Pegel α der der Gleichspannung U₁₅ aufge- 5° trische Belastung des Versorgungssystems tritt erst mit setzten 25-Hz-Rechteckspannung überschreitet, vom Zuschaltung der Phase T bei Vorliegen der Phasen-Nullspannungsschalter 7 (Fig. 4) Zündimpulse für spannung mit einer Frequenz von 50 Hz auf (Band T₂). den zugeordneten Triac 1 erzeugt, so daß am Ver- Es ergibt sich also nur ein einziger symmetrischer braucherwiderstand 4 eine 50-Hz-Wechselspannung Arbeitspunkt über dem Proportionalbereich, und zwar mit einer Grundwelle von 25 Hz auftritt, wie dies 55 bei Vollast.

gestrichelt im Band R₁ des Diagramms nach der Beim in der F i g. 2 angedeuteten Verfahren er-

F i g. 1 dargestellt ist. Damit wird ein Sechstel der geben sich demgegenüber zwei symmetrische Arbeits-

Gesamt-Maximalleistung im Verbraucherwiderstand 4 punkte im Proportionalbereich,

umgesetzt. Durchläuft die Steuergröße Ue dann weiter Es wird nunmehr mit Bändern R₁, R₂, S₁, S₂, T₁, T₃

den Bereich III, so ist die Steuergröße Ue größer als 60 gearbeitet, die breiter als die entsprechenden Bänder

der Pegel b der der Gleichspannung U₁₅ aufgesetzten nach dem Verfahren gemäß der F i g. 1 sind. Ferner

25-Hz-Rechteckspannung, und vom Nullspannungs- stoßen diese Bänder nicht aneinander, sondern über-

schalter 7 (Fig. 4) wird damit eine laufende Zünd- lappen sich.

impulsfolge mit einer Frequenz von 100 Hz erzeugt, Bei einer kontinuierlichen Änderung der Steuer- und entsprechend wird der zugeordnete Triac 1 ge- 65 größe Ue wird in der Phase R innerhalb des Bezündet. Damit hat auch die am Verbraucherwider- reiches II im 50 %-Betrieb (Phasenspannung R₁ mit stand 4 (F i g. 4) liegende Wechselspannung eine Fre- 25 Hz getaktet) gearbeitet, wie bereits an Hand der quenz von 50 Hz, wie auch im Band R₂ angedeutet F i g. 1 beschrieben worden ist. Dieser Betrieb wird

auch im Bereich III beibehalten, wobei jedoch die F i g. 5 näher erläutert. Entsprechend ist die Wirkungs-Phase S ebenfalls im 50 %-Betrieb (Phasenspannung S₁ weise der Bauelemente der Phasen S und T.
mit 25 Hz getaktet) hinzukommt. Danach wird beim Aus der Phasenspannung Ur wird mittels des Zeit-

Übergang vom Bereich III in den Bereich IV die gliedes 10 eine phasenverschobene Wechselspannung Phase T im 50 %-Betrieb zugeschaltet, den die beiden 5 U₁₀ abgeleitet. Diese Wechselspannung wird durch den Phasen R, S ebenfalls noch haben. Alle drei Phasen R, Begrenzer 11 in eine Rechteckspannung U₁₁ umge- S, T arbeiten damit im Bereich IV im 50 %-Betrieb, so wandelt, die die bistabile Kippschaltung 12 ansteuert, daß bereits bei Halblast ein symmetrischer Betrieb ge- an deren Ausgang eine im Verhältnis 1: 2 untersetzte währleistet ist. Danach wird im Bereich V in der Rechteckspannung U₁₂ auftritt. Diese 25-Hz-Recht-Phase R (R₂) im 100 %-Betrieb gearbeitet, während die io eckspannung wird der Summierstufe 15 zugeführt, Phasen S, T noch 50 %-Betrieb haben, und im Be- welcher ebenfalls die Gleichspannung der Gleichspanreich VI geht auch die Phase S in den 100 %-Betrieb nungsquelle 14 zugeführt ist. Am Ausgang der Sum- (S₂) über, wobei die Phase Γ noch 50 %-Betrieb hat, mierstufe 15 ergibt sich eine mit 25 Hz modulierte und im Bereich VII geht schließlich auch die Phase T Gleichspannung U₁₅.

in den 100 %-Betrieb (T₂) über, so daß nunmehr alle 15 Sobald die als Gleichspannung vorliegende Steuerdrei Phasen im 100 %-Betrieb arbeiten und damit größe Ue aus dem Bereich I' sich in den Bereich ΙΓ Symmetrie vorliegt. hinein ändert, wie durch die Strichelung angedeutet, so

Für das zuletzt beschriebene Verfahren zeigt F i g. 3 ist damit der Schwellwert des Nullspannungsschalters 7 den zeitlichen Verlauf der Spannungen an den Ver- überschritten, und da dieser Nullspannungsschalter brauchern in Abhängigkeit von der Steuergröße JTb. 20 über die Leitung 29 von der Phasenspannung R ange-Hierbei ist die Spannung am Verbraucher der Phase R steuert ist, werden bei Nulldurchgang der Phasenausgezogen gezeichnet, am Verbraucher der Phase S spannung Ur innerhalb der Bereiche t_u i₂, t& t_t jeweils g gestrichelt und am Verbraucher der Phase T punktiert. zwei Zündimpulse (T₇ abgegeben. Diese Zündimpulse f

Mit der Schaltungsanordnung nach der F i g. 4 kann führen zum Zünden des Triacs 1, wodurch eine volle sowohl das Verfahren nach der F i g. 1 als auch das 25 Periode der Phasenspannung JTr als Lastspannung U₁ Verfahren nach der F i g. 2 verwirklicht werden. an den Verbraucherwiderstand 4 geschaltet wird

Die Schaltungsanordnung umfaßt drei Triacs 1, 2, 3 (Ganzwellenbetrieb). Liegt die Steuerspannung Ue mit einem dreiphasigen Verbraucher 4, 5, 6 (Heiz- innerhalb des Bereiches I' der modulierten Gleichwiderstände od. dgl.), die an die Phasen J?, S, T ge- spannung U₁₆, wie durch die Strichpunktierung angeschaltet sind. Die Schaltungsanordnung umfaßt ferner 3° deutet ist, so können — da das Potential des positiven Nullspannungsschalter 7, 8, 9, die Zündimpulse für die Einganges des Nullspannungsschalters 7 niedriger als Triacs 1, 2, 3 erzeugen. Die Zündimpulse werden aus das Potential des negativen Einganges dieses Schalters den jeweiligen Phasenspannungen abgeleitet. Zum Er- ist — keine Zündimpulse auftreten. So entsteht der zeugen der jeweils phasenrichtigen 25-Hz-Taktfrequenz 50 %-Betrieb für die betrachtete Phase,
sind je Phase ein ÜC-Glied 10, 16, 22, ein Spannungs- 35 Steigt die Steuerspannung JTe über den Pegel b der begrenzer 11, 17, 23, eine bistabile Kippschaltung 12, modulierten Gleichspannung JT₁₆, wie durch die Dop-18, 24, ein ohmscher Spannungsteiler 13, 19, 25, eine pelstrichpunktierung angedeutet ist, dann ist der Gleichspannungsquelle 14, 20, 26 und eine Summier- Schwellwert des Nullspannungsschalters 7 dauernd stufe 15, 21, 27 (Operationsverstärker) vorgesehen. überschritten, und entsprechend werden von diesem

Die Nullspannungsschalter 7, 8, 9 werden über die 40 auch bei jedem Nulldurchgang der Phasenspannung Leitungen 29, 30, 31 von der jeweiligen Phasenspan- JTr Zündimpulse JT₇' erzeugt, so daß am Verbrauchernung, über ihren negativen Eingang (—) von den widerstand 4 ständig eine 50-Hz-Wechselspannung JT₄' modulierten Gleichspannungen JT₁₅, JT₂₁, JT₂₇ und über liegt. Dies stellt den 100 %-Betrieb dar.
ihren positiven Eingang (+) gemeinsam von der Ein- Bei den Verfahren nach den F i g. 1 und 2 wird die |

gangsspannung Ue angesteuert. 45 Breite der sich ergebenden Bänder R₁, S₁, T₁ durch

Den positiven Eingängen der Nullspannungsschalter Amplitudeneinstellung der 25-Hz-Rechteckspannung kann ein Operationsverstärker 28 vorgeschaltet sein, mittels der Spannungsteiler 13,19, 25 (F i g. 4) und die an dessen positiven Eingang beispielsweise die Span- Größe der mit der 25-Hz-Rechteckspannung modunung X eines Temperaturfühlers und an dessen nega- lierten Gleichspannungen durch Einstellung der Austiven Eingang eine Sollspannung Xs wirkt. 5° gangsspannung der Gleichspannungsquellen 14, 20, 26

Jeder Nullspannungsschalter 7, 8, 9 ist mit einer (F i g. 4) erreicht.

Differenzverstärkerstufe ausgerüstet, an deren negative Ein besonderer Vorteil des Verfahrens gemäß den

Eingänge die modulierten Gleichspannungen unter- vorgenannten Ausführungsbeispielen besteht darin, schiedlicher Größe und an deren positive Eingänge die daß zur Realisierung eines quasistetigen Verhaltens Steuergröße JTe geschaltet sind. 55 eines Drehstrom-Schwingungspaket-Steuergerätes nur

Vom jeweiligen Nullspannungsschalter kann erst eine einzige Taktfrequenz benutzt wird, die der halben dann ein Zündimpuls erzeugt werden, wenn der posi- Netzfrequenz entspricht. Damit liegt die kleinste mögtive Eingang (+) potentialmäßig höher liegt als der liehe Flimmerfrequenz für am selben Netz betriebene negative Eingang (—). Lampen mit 25 Hz noch über der allgemein als nicht

Die Wirkungsweise der Bauelemente der Phase R 60 störend empfundenen Bildfolgefrequenz des Kinofilms wird nachstehend am Signaldiagramm nach der (24 Hz).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1 2 des Leistungsfaktors und die Erzeugung von Funk-Patentansprüche: störungen (Oberwellen höherer Ordnung), Wie der Literaturstelle weiter zu entnehmen ist, wird für

1. Verfahren zur quasistetigen Steuerung der in Geräte mit Phasenanschnittsteuerung aus den obeneinem dreiphasigen Verbraucher umgesetzten Lei- 5 genannten Gründen eine Leistungsbegrenzung anstung, wobei der Verbraucher in Reihe mit über gestrebt. Für Drehstromgeräte mit einer Vollwellen-Nullspannungsschalter angesteuerten Halbleiter- Anschnittsteuerung ist eine maximale Leistung von elementen an ein dreiphasiges Wechselstrom- 3,5 kW angegeben.

system geschaltet ist, dadurch gekenn- Um die der Phasenanschnittsteuerung anhaftenden

zeichnet, daß mit steigender Steuergröße der io Nachteile zu vermeiden, sind Thyristor-Leistungsstell-Verbraucher nacheinander zuerst mit einer gegen- glieder bekannt, die zur elektronischen Temperaturüber der Systemfrequenz verringerten, jedoch regelung von Einphasen- und Drehstromverbrauchern außerhalb von physiologisch störenden Flimmer- eingesetzt werden und die nach dem Taktprinzip frequenzen liegenden Frequenz und danach nach- arbeiten (Druckschrift der Fa. AEG »AEG-Thyrotakt, einander mit Systemfrequenz an die Phasen- 15 Kontaktlose Leistungsstellglieder für die Temperaturspannungen geschaltet wird. regelung«, E 43.15.112/0970). Dem Verbraucher wird

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- unter Anwendung einer Taktfrequenz, die maximal zeichnet, daß die Phasenspannungen mit einer 25 Hz beträgt und eine Ein- und Ausschaltung der gegenüber der Systemfrequenz verringerten Fre- Stellglieder stets im Spannungsnulldurchgang bewirkt, quenz überlappend nacheinander an den Ver- 20 eine wechselnde Zahl ganzer Sinusschwingungen braucher geschaltet werden und danach die Schalt- (Schwingungs-Paketsteuerung) zugeführt. Nach dem frequenz in zyklischer Reihenfolge auf die System- Taktprinzip arbeitende Geräte sind funkstörungsfrei, frequenz erhöht wird. da im Spannungsnulldurchgang geschaltet wird, und ά

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens es wird auch nicht der Leistungsfaktor verschlechtert, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, 25 Durch die Taktung des Verbrauchers ergeben sich daß den negativen Eingängen der Differenzstufen jedoch entsprechende Spannungsschwankungen des der Nullspannungsschalter (7, 8, 9) Gleichspan- Starkstromnetzes, denen auch die an das Netz angenungen (14, 20, 26) unterschiedlicher Größe zu- schlossenen anderen Verbraucher ausgesetzt sind. Sind geführt sind, die mit einer niederen Frequenz (12, diese Glühlampen, Leuchtstofflampen od. dgl., so 18, 24) als die Systemfrequenz moduliert sind, und 30 schwankt deren Lichtintensität im Rhythmus der daß den positiven Eingängen der Differenzstufen durch die Taktung entstehenden Netzspannungsder Nullspannungsschalter (7, 8, 9) die Steuer- Schwankungen. Derartige Lichtintensitätsschwankungröße (Us) zugeführt ist. gen sind für das menschliche Auge unangenehm, wenn

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch ge- sie eine bestimmte Größe überschreiten. Der Schwelkennzeichnet, daß die Modulationsspannung für 35 lenwert, der gerade eine physiologisch unangenehme die Gleichspannung (14, 20, 26) aus der jeweiligen Wirkung hervorruft, ist von der Taktfrequenz abhängig Phasenspannung (Ur, Us, Ut) abgeleitet ist, die und hat sein Minimum bei etwa 8 Hz.

mittels Begrenzerschaltung (11, 17, 23) und bi- Es ist eine weitere Anordnung zur Schwingungsstabiler Kippschaltung (12, 18, 24) in eine ein- Paketsteuerung unter Anwendung eines Nullspanstellbare Rechteckspannung (13, 19, 25) mit unter- 4° nungsschalters bekannt (Zeitschrift »Funkschau«, 1968, setzter Frequenz umgewandelt ist, und daß eine H. 19, S. 589 und 590). Auch hier werden für eine Gleichspannungsquelle (14, 20, 26) vorgesehen ist, quasistetige Steuerung oder Regelung mehrere volle deren einstellbare Gleichspannung mit der Recht- Sinusschwingungen dem Verbraucher zugeführt (Paeckspannung moduliert ist (15, 21, 27). ketbreitenänderung), wobei das Schalten der Stell- Λ

45 glieder im Spannungsnulldurchgang erfolgt. Um das ^

Verhältnis Einschaltzeit zu Pausenzeit zu ändern, ist

eine Sägezahnspannung herangezogen, die dem Gleichspannungssteuersignal überlagert ist. Die Frequenz,

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und mit welcher die Stellglieder ein- und ausgeschaltet

eine Anordnung zur quasistetigen Steuerung der in 50 werden, richtet sich nach den (thermischen) Zeit-

einem dreiphasigen Verbraucher umgesetzten Leistung, konstanten des Regelkreises und ist verhältnismäßig

wobei der Verbraucher in Reihe mit über Nullspan- klein, so daß bei den an dasselbe Starkstromnetz an-

nungsschalter angesteuerten Halbleiterelementen, z. B. geschlossenen Lampen ein Schwanken der Lichtinten-

Triacs, an ein dreiphasiges Wechselstromsystem ge- sität auftritt.

schaltet ist. 55 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver-

Für die stetige Steuerung und Regelung von Wech- fahren der eingangs genannten Art zu schaffen, durch

selstromleistungen ist die Anwendung von Leistungs- welches die Erstellung von Drehstrom-Großgeräten

Halbleiterelementen (Thyristoren, Triacs) als Stell- mit einer Leistung oberhalb 3,5 kW möglich ist, deren

glieder bekannt, wobei eine Phasenanschnittsteuerung Stellglieder im Spannungsnulldurchgang schalten und

der Halbleiterelemente erfolgt (Zeitschrift »Elektrizi- 60 keine Frequenzen erzeugen, die ein physiologisch

tätswirtschaft«, Jg. 69, 1970, H. 8, S. 228 bis 236). störendes Flimmern von an das gleiche Starkstromnetz

Dieser Literaturstelle ist weiter zu entnehmen, daß bei geschalteten Lampen bewirken,

der Anschnittsteuerung Oberwellen auftreten, die Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs

Rückwirkungen auf das Starkstromnetz und auf die genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

an dieses Netz angeschalteten Verbraucher haben. 65 mit steigender Steuergröße der Verbraucher nachein-

Diese Oberwellen niedriger Ordnung liegen nun im ander zuerst mit einer gegenüber der Systemfrequenz

Bereich der bei Rundsteueranlagen verwendeten Fre- verringerten, jedoch außerhalb von physiologisch

quenzen. Ein weiterer Nachteil ist die Verschlechterung störenden Flimmerf requenzen liegenden Frequenz