DE2516934A1

DE2516934A1 - Steuersatz fuer einen wechselstromsteller mit vollwellensteuerung

Info

Publication number: DE2516934A1
Application number: DE19752516934
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl Ing Glaser; Ludwig Schick
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-04-17
Filing date: 1975-04-17
Publication date: 1976-10-21
Also published as: JPS51127446A; ZA761930B; FR2308243A1; BR7601911A; DK94676A; CH597720A5; SE7601426L; US4050008A; FR2308243B1

Description

Steuersatz für einen Wechselstromsteller mit Vollwellensteuerung

Die Erfindung betrifft einen Steuersatz für einen Wechselstromsteller mit Vollwellensteuerung, der einen von der Netzspannung synchronisierten und von einem Regler steuerbaren Impulsgenerator aufweist, mit dem Zündimpulse zu erzeugen sind, die mit einem Impulsübertrager an die Zündelektroden von Thyristoren zu legen sind.

Solche Wechselstromsteller mit Vollwellensteuerung und die dazu benötigten Steuersätze sind im Handel erhältlich. Diese Wechsclstromstellglieder werden vorwiegend zur Temperatursteuerung eingesetzt. In Verbindung mit stetigen Reglern oder Zweipunktreglern können sie auch zur Temperaturregelung verwendet werden. Bei diesen Wechselstromstellern mit Vollwellensteuerung wird für jede ausgesteuerte Halbwelle ein Impuls von annähernd 180° an die Zündelektroden der Thyristoren gelegt. Diese Impulse bedingen große Übertrager, die unwirtschaftlich sind.

Es besteht die Aufgabe, einen Steuersatz der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß unwirtschaftlich große Übertrager nicht benötigt werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß als Impulsgenerator ein Gegentaktoszillator vorgesehen ist, dessen Übertrager Zweiweggleichrichter nachgeschaltet sind und daß eine bistabile Kippstufe angeordnet ist, mit deren Ausgangesignal der Gegentaktoszillator in Abhängigkeit von einem Steuersignal bei Beginn einer Halbwelle der speisenden Wechselspannung ein- und am Ende einer Halbwelle entgegengesetzten Vorzeichens auszuschalten ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Steuersatz wird der Gegentaktoszillator zu Beginn jedes von der Regelung bzw. Steuerung geforderten Voll- ■

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wellenpaktetes eingeschaltet und bleibt für die gesamte Länge des Vollwellenpaketes in diesem Schaltzustand. Das hochfrequente Ausgangssignal des Gegentaktoszillators wird gleichgerichtet. An den Zündelektroden aller Thyristoren steht daher ein Dauerimpuls während der gesamten Länge des ausgesteuerten Vollwellenpaketes an. Für die Übertragung dieses Dauerimpulses können handelsübliche Übertrager benutzt werden, die keine besonderen Kosten verursachen.

Bei einem Steuersatz mit einer Synchronisierstufe zur Synchronisation des Impulsgenerators kann als Synchronisierstufe ein Triggerimpulsgeber vorgesehen sein, an dessen Ausgang ein Triggerimpuls bei einem Null-Durchgang jeder Periode der speisenden Wechselspannung ansteht und dessen Ausgang mit einem auslösenden Eingang der bistabilen Kippstufe verbunden ist. Damit wird mit einfachen Mitteln sichergestellt, daß der Gegentaktoszillator immer erst zu Beginn einer Halbwelle eingeschaltet und damit auch erst zu diesem Zeitpunkt ein Zündimpuls für die Thyristoren des Wechselstromstellers erzeugt wird.

Für einen Wechselstromsteller mit einem Transformator als Last kann der bistabilen Kippstufe eine Verzögerungsstufe nachgeschaltet sein, womit eine Anschnittssteuerung in der ersten Halbwelle jedes Vollwellenpaketes erreicht und der Rush-Effekt vermieden wird. Um beim Einschalten des Wechselstromstellers, beispielsweise nach einem Netzausfall, Sättigungszustände in induktiven Lasten bzw. Transformatoren zu vermeiden, ist es vorteilhaft, den Ausgang eines mit der doppelten Frequenz der speisenden Wechselspannung schwingenden Sägezahngenerators mit einem ersten Eingang einer Vergleichsstufe zu verbinden, ein dem Ausgang der bistabilen Kippstufe nachgeschaltetes RC-Glied vorzusehen, dessen Abgriff mit dem zweiten Eingang der Vergleichsstufe verbunden ist und den Ausgang der Vergleichsstufe und den Ausgang der Verzögerungsstufe mit den Eingängen eines digitalen Verknüpfungsgliedes mit konjunktiver Verknüpfung zu verbinden, dessen Ausgangssignal den Gegentaktoszillator ein- und ausschaltet. Mit dieser Schaltungsmaßnahme wird eine Phasenanschnittssteuerung beim Einschalten des Wechselstromstellers erreicht, mit der die der Last zugeführten Spannungs-

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zeitflächen aufeinanderfolgender Halbwellen kontinuierlich vergrößert werden und damit ein Sättigungszustand von Transformatoren beim Anfahren des Wechselstromstellers zu vermeiden ist.

Im folgenden wird der erfindungsgemäße Steuersatz beispielhaft anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert.

Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Steuersatzes. Ein Wechselstromsteller 1 mit antiparallel geschalteten Thyristoren 2a und 2b ist über die Klemmen 3 an ein speisendes Wechsel- bzw. Drehstromnetz angeschlossen. Der Wechselstromsteller 1 speist einen Transformator als Last 4.

Zur Erzeugung der Zündimpulse für die Thyristoren 2 ist ein mit einer Frequenz zwischen 5000 und 10 000 Hz schwingender Gegent ktoszillator 5 vorgesehen, der über einen Schalter 6 mit einer Klemme 7 zu verbinden ist, an der die Betriebsspannung TJ-g liegt. Der Übertrager des Gegentaktoszillators 5 ist mit 8 bezeichnet, seinen Sekundärwicklungen sind Vollweggleichrichter 9a und 9b nachgeschaltet. Die Ausgänge der Vollweggleichrichter 9a und 9b sind an die Zündelektroden von Thyristoren 2a bzw. 2b des Wechselstromstellers 1 geführt. Ist der Gegentaktoszillator 5 mit dem geschlossenen Schalter 6 eingeschaltet, so steht an seinem Ausgang ein hochfrequentes Signal, dessen Einzelimpulse rechteckfärmig sind. Dieses hochfrequente Signal wird mit den Gleichrichtern 9a und 9b gleichgerichtet und man erhält einen Dauerimpuls, der solange an den Zündelektroden der Thyristoren 2 liegt, solange der Gegentaktoszillator 5 eingeschaltet ist.

Der Schalter 6 wird von einer bistabilen Kippstufe 10 betätigt, deren Ausgang 10a mit einem Verzögerungsglied 11 verbunden ist, das die Vorderflanke eines Signals verzögert. Der Ausgang 11a des Verzögerungsgliedes 11 liegt an einem Eingang eines UND-Gatters 12, dessen Ausgang mit dem Betätigungseingang des Schalters 6 verbunden ist. Die bistabile Kippstufe 10 besitzt einen auslösenden Eingang 10b, der mit dem Ausgang eines Takt- bzw. Triggerimpulsgebers 13 verbunden ist, der über das Netzgerät 14 von der speisenden Wechselspannung U synchronisiert wird. Der Taktgeber 13

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ist so ausgelegt, daß an seinem Ausgang vor Beginn jeder Periode der speisenden Wechselspannung, beispielsweise vor Beginn jeder positiven Halbwelle, ein Triggerimpuls ansteht. Das Netzgerät ist über die Klemme 15 mit der speisenden Wechselspannung U verbunden und es erzeugt die Betriebsspannung TJ-n des Steuersatzes, die an der Klemme 16 steht.

Die bistabile Kippstufe 10 besitzt drei Eingänge 1Oe, 10c und 1Od, die diskonjunktiv verknüpft sind. Der Eingang 1Oe ist mit einer Klemme 17 verbunden, über die eine Impulssperre, beispielsweise während des Einschaltens des Gerätes bewirkt werden kann. Der Eingang 10c ist an eine Klemme 18 geführt, die mit einem Zweipunktregler verbunden werden kann. Der Eingang 1Od ist mit dem Ausgang eines Analog-Digital-Umsetzers 19 verbunden, dessen Eingang mit einer Klemme 20 verknüpft ist, die zur Verbindung mit einem stetigen Regler vorgesehen ist. An die Klemmen 18 oder 20 können auch Steuersignale gelegt werden. Als Analog-Digital-Umsetzer ist eine astabile Kippstufe vorgesehen, deren Tastverhältnis mit einem an der Klemme 20 liegenden Signal veränderbar ist. Seine Frequenz ist kleiner als die Frequenz der speisender. Wechselspannung. Mit der astabilen Kippstufe erhält man einen großen Steuerbereich.

Weiterhin ist ein mit doppelter Netzfrequenz schwingender und über die Leitung 21 von der speisenden Wechselspannung U synchronisierter Sägezahngenerator 22 angeordnet, dessen Ausgang mit einem Eingang 23a einer Vergleichsstufe 23 verbunden ist. Am zweiten Eingang 23b der Vergleichsstufe 23 liegt der Abgriff eines RC-Gliedes 24, das über die Leitung 25 mit dem Ausgang 10a der bistabilen Kippstufe 10 verbunden ist. Mit dem Schalter 26 kann der Kondensator 24a des RC-Gliedes 24 zur Schnellrückstellung kurzgeschlossen und entladen werden, wenn keine Netzspannung mehr anliegt, d.h. wenn das Gerät abgeschaltet ist oder Netzspannung ausfällt.

Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen 'Steuersatzes wird anhand der Figur 2 näher erläutert, in der die speisende Wechselspannung U, die Triggerimpulse U^, des Taktgebers 13, ein Regelsignal U_R.

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das Ausgangssignal U₁₀ der bistabilen Kippstufe 10, das Ausgangssignal U₁₁ der Verzögerungsstufe 11, das Ausgangssignal U₂₂ des Sägezahngenerators 22 und die Kondensatorspannung U₂, und der an den Ausgängen der Gleichrichter 9a und 9b anstehende Zündimpuls Uq über der Zeit t aufgetragen sind. Dabei ist mit a) ein Zündimpuls Uq gezeigt, wie er bei Speisung einer ohmschen Last eingesetzt werden kann, unter b) ist ein Zündimpuls Uq aufgezeichnet, wie er zur Speisung einer Last 4 mit Transformator erforderlich ist.

Es wird zunächst in Abweichung zu dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel angenommen, daß der Wechselstromsteller 1 eine ohmsche Last speist. Dann kann in Figur 1 der Ausgang 10a der bistabilen Kippstufe 10 direkt mit dem Betätigungseingang des Schalters 6 verbunden werden. Die Verzögerungsstufe 11, das UND-Gatter 12, der Sägezahngenerator 22, das RC-Glied 24- und die Vergleichsstufe 23 sind dann nicht erforderlich. In Figur 2 können damit vorerst die Spannungen U₁₁, U₂₂ und U₂. außer Betracht bleiben. Liegt an einem der vorbereitenden Eingänge 10c oder 1Od ein Reglersignal U-r,, so kippt die bistabile Kippstufe 10 beim Eintreffen des nächsten Triggerimpulses im Zeitpunkt t₁, d.h. zu Beginn der nächsten positiven Halbwelle der speisenden Wechselspannung U in den Zustand, in dem an ihrem Ausgang 10a ein Signal U₁₀ liegt. Die bistabile Kippstufe 10 verharrt in diesem Schaltzustand, bis nach der Rückflanke des Reglersignals U_R der nächste Triggerimpuls im Zeitpunkt t₂ am auslösenden Eingang 10a ansteht, d.h. also bis zum Ende einer negativen Halbwelle. Durch das Ausgangssignal U₁₀ der bistabilen Kippstufe 10 wird der Schalter 6 geschlossen und der Gegentaktoszillator 5 an die Betriebsspannung U^ gelegt. Der Gegentaktoszillator 5 beginnt sofort zu schwingen und an den Thyristoren 2 liegt der unter a) in Figur 2 gezeigte Zündimpuls Uq vom Zeitpunkt t.. bis zum Zeitpunkt t₂, wobei je nach Phase der'speisenden Wechselspannung U Thyristoren 2a oder Thyristoren 2b vom Zündimpuls Ug gezündet werden. Der Wechselstromsteller 1 führt daher Strom vom Zeitpunkt t₁ bis zum Zeitpunkt t₂, d.h. bis zum Ende der negativen Halbwelle, an dem die bistabile Kippstufe 10 umschaltet und damit der Schalter 6 geöffnet wird und der Gegentaktcszillator 5 aufhört zu schwingen.

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Bei einem Transformator als Last 4 besteht wegen der Hysterese die Gefahr, daß der Transformator in Sättigung geht, wenn er beim Einschalten sofort mit einer vollen Halbwelle beaufschlagt wird. Außerdem ist beim Einschalten, insbesondere nach einem Stromausfall, nicht bekannt, ob der Transformator eine positive oder eine negative Magnetisierung besitzt. Eine Beaufschlagung des Transformators mit einer falschen Halbwelle der speisenden Wechselspannung würde ihn dann ebenfalls in Sättigung treiben. Um diesen sogenannten Rush-Effekt zu vermeiden, ist beim erfindungsgemäßen Steuersatz eine Phasenanschnittssteuerung vorgesehen, die eingesetzt wird, wenn der Wechselstromsteller 1 eine transformatorische Last 4 speist. Mit dieser Phasenanschnittssteuerung wird einmal bei Beginn jedes Vollwellenpaketes die erste Halbwelle angeschnitten. Dies wird mit der Verzögerungsstufe 11 erreicht, die die Vorderflanke des Stellsignals IL₀ um einen vorgegebenen Wert verschiebt, der mit der Verzögerungszeit der Verzögerungsstufe 11 an die Betriebsbedingungen angepaßt werden kann. Beim Einschalten des Gerätes wird andererseits eine Phasenanschnittssteuerung mit veränderlichem Steuerwinkel benutzt, wobei der Steuerwinkel kontinuierlich von annähernd 180° bis auf Null verschoben wird. Dies wird mit dem Sägezahngenerator 22 und mit dem RC-Glied 24 bewirkt, das vom Ausgangssignal IL q der bistabilen Kippstufe 10 aufgeladen wird und an dessen Abgriff Spannung gemäß einer e-Funktion ansteht. Die Sägezahnspannung Up₂ und die einer e-Funktion entsprechende Spannung U_?. werden einem Grenzwertmelder 23 zugeführt, an dessen Ausgang jeweils für die Zeitspanne ein Signal ansteht, die zwischen dem Schnitt einer abfallenden Planke der Sägezahnspannung U_?p dem Schnitt der ansteigenden Planke der Sägezahnspannung uV^ der einer e-Punktion entsprechenden Kondensatorspannung U„, liegt. Das Aus gangs signal IL -· der Verzögerungsstufe 11 und das Ausgangssignal der Vergleicherstufe 23 sind konjunktiv verknüpft, so daß der Schalter 6 nur geschlossen wird, wenn beide Signale anstehen. Damit wird erreicht, daß bei einem Einschaltvorgang die Phasenanschnittssteuerung mit kontinuierlich abnehmendem Steuerwinkel durchgreift, während dann, wenn der Kondensator 24a des RC-Gliedes 24 geladen ist, über die Verzögerungsstufe 11 nur noch ein Phasenanschnitt in der ersten Halbwelle jedes Vollwellenpaketes erfolgt. Dieser Betriebszustand ist mit den Zündimpulsen Uq demonstriert,

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die unter ti) in Figur 2 gezeigt sind. Solange der Kondensator 24a aufgeladen wird und sich die Spannung Up. mit der Sägezahnspannung Upp schneidet, erhält man diskontinuierliche Zündimpulse, deren Länge stetig anwächst. Die daraus resultierende Phasenanschnittssteuerung der ersten Halbwellen eines Vollwellenpaketes nach dem Einschalten des Gerätes erfolgt mit abnehmendem Steuerwinkel, bis der Kondensator 24a geladen ist und kein Schnittpunkt zwischen e-Funktion Up/ und dem Sägezahn Upp mehr vorhanden ist. Der Kondensator 24a bleibt nun geladen und zu Beginn des nächsten Regelsignals U_R erfolgt kein Schnitt zwischen e-Funktion und dem Sägezahn U?2' ^so ^^a^ ^nun *^^e bi³^⁰-^!⁶ Kippstufe 10 zwar im Zeitpunkt t, schaltet, wegen der Verzögerung des Stellsignals U^q mit der Verzögerungsstufe 11 der Zündimpuls jedoch erst im Zeitpunkt t^j ansteht und damit nur noch die erste Halbwelle des Vollwelleniaketes phasenanschnittsgesteuert ist. Mit dem Schalter 26 wird der Kondensator 24 überbrückt und entladen, wenn keine Netzspannung mehr anliegt. Damit ist sichergestellt, daß beim Einschalten des Gerätes der Kondensator 24a erst aufgeladen wird und das Gerät mit Phasenanschnittssteuerung anfährt.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß mit dem erfindungsgemäßen Steuersatz nicht nur der unwirtschaftliche Übertrager bekannter Vorrichtungen vermieden wird, sondern daß sich durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung mit dem Gegentaktoszillator 5 in einfacher Weise und ohne besonderen Aufwand alle Betriebszustände sowohl bei Speisung einer ohmschen als auch insbesondere eines Transformators als Last beherrschen lassen. Dabei ist noch anzufügen, daß die beschriebene Phasenanschnittssteuerung sich nicht nur bei Vollwellensteuerung vorteilhaft einsetzen läßt.

8 Patentansprüche
2 Figuren

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Claims

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Pat e nt ans ρ rü c he

.} Steuersatz für einen Wechselstromsteller mit Vollwellensteuerung, der einen von der Netzspannung synchronisierten und von einem Regler steuerbaren Impulsgenerator aufweist, mit dem Zündimpulse zu erzeugen sind, die mit einem Impulsübertrager an die Zündelektroden von Thyristoren zu legen sind, dadurch gekennzeichnet, daß als Impulsgenerator ein G-egentaktoszillator (5) vorgesehen ist, dessen Übertrager (8) Zweiweggleichrichter (9a, 9b) nachgeschaltet sind und daß eine bistabile Kippstufe (10) angeordnet ist, mit deren Ausgangssignal (U^₀) der Gegentaktoszillator in Abhängigkeit von einem Steuersignal (U„) bei Beginn einer Halbwelle der speisenden Wechselspannung (TJ) ein- und am Ende einer Halbwelle entgegengesetzten Vorzeichens auszuschalten ist.
2. Steuersatz nach Anspruch 1 mit einer Synchronisierstufe zur Synchronisation des Impulsgenerators, dadurch gekennzeichnet, daß als Synchronisierstufe ein Triggerimpulsgeber (13) vorgesehen ist, an dessen Ausgang ein Triggerimpuls (U-j·^) bei einem Null-Durchgang jeder Periode der speisenden Wechselspannung (U) ansteht und dessen Ausgang mit einem auslösenden Eingang (10b) der bistabilen Kippstufe (10) verbunden ist.
3. Steuersatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein disjunktiv verknüpfter Eingang (10c) der bistabilen Kippstufe (10) zur Verbindung mit einem Zweipunktregler vorgesehen ist.
4. Steuersatz nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß mit einem disjunktiv verknüpften Eingang (1Od) der bistabilen Kippstufe (10) ein Analog-Digital-Umsetzer (19) verbunden ist, dessen Eingang zur Verbindung mit einem stetigen Regler vorgesehen ist.
5. Steuersatz nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Analog-Digital-Umsetzer (19) eine astabile Kippstufe ist, deren Tastverhältnis mit einem Regelsignal (U_R) zu verändern ist.

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6. Steuersatz nach einem der Ansprüche 1 bis 5 für einen Wechselstromsteller mit einem Transformator als Last, dadurch gekennzeichnet, daß der bistabilen Kippstufe (10) eine Verzögerungsstufe (11) nachgeschaltet ist.
7. Steuersatz nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang eines mit der doppelten Frequenz der speisenden Wechselspannung (U) schwingenden Sägezahngenerators (22) mit einem ersten Eingang (23a) einer Vergleichsstufe (23) verbunden ist, daß ein dem Ausgang (10a) der bistabilen Kippstufe (10) nachgeschaltetes RC-G-lied (24) vorgesehen ist, dessen Abgriff mit dem zweiten Eingang (23b) der Vergleichsstufe verbunden ist, daß der Ausgang der Vergleichsstufe und der Ausgang der Verzögerungsstufe (11) mit den Eingängen eines digitalen Verknüpfungsgiiedes (12) mit konjunktiver Verknüpfung verbunden ist, dessen Ausgangssignal den G-egentaktosziallator (5) ein- und ausschaltet.
8. Steuersatz nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (24a) des RC-Gliedes (24) mit einem Schalter (26) überbrückt ist, wenn keine speisende Wechselspannung anliegt.

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