WO1991005401A1 - Process and device for adjusting and controlling a.c. voltages from the public mains - Google Patents

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WO1991005401A1
WO1991005401A1 PCT/CH1990/000232 CH9000232W WO9105401A1 WO 1991005401 A1 WO1991005401 A1 WO 1991005401A1 CH 9000232 W CH9000232 W CH 9000232W WO 9105401 A1 WO9105401 A1 WO 9105401A1
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voltages
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PCT/CH1990/000232
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Werner Meier-Darvasi
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Controlux Ag
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/02—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc
    • H02M5/04—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/22—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M5/275—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M5/293—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for electronically regulating and controlling AC voltages.
  • the AC voltages in question are those that are common in public power supply networks.
  • the typical frequency in Europe is 50 Hz, in the U.S.A. and other countries, for example 60 Hz.
  • frequencies around 400 Hz are used.
  • the invention relates to an AC voltage control, which, depending on the design, can be used between a voltage frequency of zero and up to 10 kHz.
  • the order of magnitude of the mains voltage in public networks is always at a nominal voltage value between zero and 500 V. ..
  • the AC voltage for current consumers is mainly regulated by phase angle controls, by inverter circuits or by means of vibration packet controls.
  • the voltage is regulated by cutting off a certain part of the phase, which causes a point of discontinuity in the voltage curve. This will induces many harmonics or harmonics that can be derived from the Fourier transformations.
  • Electrical stor consumers regulated in this way to the Neüz therefore have undesirable network perturbations which have a negative effect on the quality of the power supply network.
  • the AC voltage sine curve of the power supply network is superimposed by these, in some cases high-frequency harmonics or harmonics, and to a certain extent contaminated.
  • phase control Another side effect of the phase control is the reactive current, which is withdrawn from the network depending on the phase angle between the current and the voltage. This electricity places an unnecessary strain on the energy distribution network and must therefore be kept within limits. Above certain limits, therefore, elaborate reactive current compensation systems with audio frequency locks used. These are essentially capacitors and decoupling inductors connected in parallel, by means of which the reactive power is brought to almost zero. In addition, reactive power meters are also installed so that the purchased reactive power can be offset.
  • a second known type of AC voltage regulation takes place by means of a so-called Variacs with an optional servomotor.
  • This is an electromechanical device. It allows only a low adjustment speed and has been displaced today for reasons of price and space. It is only used for laboratory purposes.
  • inverter Another option for regulating AC voltages is the inverter.
  • This is a device that first generates a DC voltage, i.e. processes the AC voltage using a rectifier-capacitor circuit, and then uses an inverter to generate a controllable single-phase or three-phase AC voltage with a controllable frequency.
  • Such inverters primarily produce harmonics due to their rectifier-capacitor circuit, which in turn must then be eliminated from certain limits by means of specially designed suction circuits. Inverters are also relatively expensive in terms of material prices.
  • electronic AC voltage switches should also be mentioned. There are some circuits that allow an AC voltage to be switched with the aid of a Grai rectifier and a transistor. However, such an AC voltage switch has so far only been used as a replacement for a relay switch.
  • the object of the present invention is therefore to create a method and a device for regulating and controlling alternating voltages from the public distribution network, which solves the problems mentioned at the beginning.
  • the method according to the invention and the device for exercising it should enable AC voltage regulation and control, which eliminates the drawing of reactive power from the network and avoids the occurrence of harmonics.
  • This object is achieved by a method for regulating and controlling AC voltages from the public distribution network, in which the input voltage is regulated by means of pulse width modulation and subsequent filtering directly into an AC output voltage which lies within the envelope of the AC input voltage.
  • the device for performing the method is characterized in that at least two AC switching elements are present between the terminals of the input voltage, between which the output voltage is tapped, these switching elements being able to be activated alternately for pulse width modulation.
  • the device and the method operate with little loss. No harmonic harmonics are generated and no additional reactive power is drawn. For specific loads (for example fluorescent tube systems), a partial harmonic compensation of the load is even possible by a special choice of the output curve shape (by means of modulation).
  • the voltage regulation according to the invention can be used quite generally for regulating AC voltage, in particular also as a voltage stabilizer and as Three-phase voltage regulator. It is suitable, for example, for light control, for controlling motors, and as a soft start control. For the user, their advantages lie in saving energy costs by, for example, a hardly noticeable reduction in the intensity of light in the case of fluorescent tubes. Furthermore, an extended service life of the starting devices and fluorescent tubes due to a reduction in the operating voltage can be expected. In addition, no suction circuits are required for the suppression of harmonics. Furthermore, no additional reactive current compensation systems are required, which means that smaller bundle current compensation systems can be used in comparison to devices with phase-angle control.
  • the voltage regulation according to the invention if used to a greater extent, helps to save energy, to optimize the network utilization and to maintain a network that is free of flow with respect to harmonics.
  • Figure 1 A schematic diagram of the inventive device
  • Figure 2 The AC voltage switch from Figure 1 in its interior structure
  • FIG. 3 another construction of an AC voltage switch with Grford rectifiers.
  • FIG. 1 The basic structure of the device according to the invention is shown in FIG. Following the input filter 1, a bidirectional switchover element 2 is arranged between the terminals of the input voltage.
  • the basis of the operation of the device is a direct pulse width modulation of the alternating voltage with specially connected fast alternating voltage switching elements in the inside of the switching element 2.
  • a power switch is thus formed which is suitable for the regulation of any loads from zero to approx. 50 kW / kVA .
  • the core of the device consists of the switching element 2, which can process both positive and negative input voltages U. That is, alternating voltages as well as direct voltages of any polarity.
  • FIG. 2 shows the basic circuit of the changeover element 2 or the power changeover switch 2 on the basis of a detailed and enlarged view compared to FIG. It includes two AC voltage switching elements 4, 5, between which the terminals for the output voltage U are connected, these switching elements 4, 5 being alternately activatable for pulse width modulation.
  • the AC voltage switching elements 4, 5 consist here of an anti-serial connection of two power semiconductors .., T 7 and T 3 , T. each with a diode D 1 , D 2 and D 3 , D 4 connected antiparallel to them. If one considers one half of the switching element 2, or the upper switching element 4, and the first power semiconductor T. is switched on, the current flows through this first power semiconductor T- when the input voltage U.
  • the diodes D - D. can both components of the power semiconductor 1 ⁇ -T. (Power Mos Fet or IGET), but can also be external, i.e. discrete, as shown.
  • the course of the modulated AC voltage U. is shown schematically in Figure 1.
  • a certain proportional output voltage U t of the same curve shape can be generated, the value of the voltage naturally always running inside the envelope of the input voltage U. If modulation is only carried out over half a period and the pulse widths are varied, the output voltage U t can have any curve shape. This application is primarily of interest for the compensation of any harmonics that occur, that is, if a load exhibits a non-linear behavior.
  • FIG 3 shows an alternative device which can also be used for the same purpose.
  • the AC voltage switching elements 4, 5 therefore each include a Griger rectifier circuit D 5 and D g , the AC voltage inputs of which form the connections of the AC voltage switching elements 4, 5 and a power semiconductor between their DC voltage outputs -Element T 5 or T g is connected.
  • the two AC voltage switching elements 4, 5, whether for a circuit according to FIG. 2 or according to FIG. 3, are particularly advantageously formed by industrially manufactured hybrid modules.
  • the invention makes it possible to achieve a largely sinusoidal power-current curve by regulating the AC voltage accordingly by pulse width modulation.
  • the method and the device can be operated in the range between zero and up to 10 kHz.
  • the voltage can take any course within the envelope of the input voltage U- n , depending on the variation of the pulse widths and pulse pauses.

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Abstract

The process deals with the input voltage (Uin) by means of pulse width modulation followed by filtering so that it is possible directly to adjust an output a.c. voltage (Uout) lying within the envelope curve of the input a.c. voltage. The device for implementing the process includes at least two a.c. voltage circuit components (4, 5) connected between the input voltage (Uin) terminals. The output voltage (Uout) is detected between the a.c. voltage circuit components (4, 5), whereby these components are activatable alternately to modulate the pulse width.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Regeln und Steuern von Wechsel¬ spannungen ab dem öffentlichen Verteilernetz Method and device for regulating and controlling AC voltages from the public distribution network
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektronischen Regeln und Steuern von Wech¬ selspannungen. Bei den in Betracht kommenden WechselSpannun¬ gen handelt es sich um solche, die in öffentlichen Stromver- sorgungsnetzen gebräuchlich sind. Die typische Frequenz in Europa beträgü 50 Hz, in den U.S.A. und anderen Ländern zum Beispiel 60 Hz. Für bestimmte Sonderstromnetze werden Frequenzen um 400 Hz benützt. Grundsätzlich aber bezieht sich die Erfindung auf eine Wechselspannungsregelung beziehungs¬ weise -Steuerung, die je nach Auslegung zwischen einer Span¬ nungsfrequenz von Null bis hinauf auf 10 kHz anwendbar ist. Die Grössenordnung der Netzspannung bewegt sich dabei in den öffentlichen Netzwerken stets auf einem Nennspannungs-Wert zwischen Null und 500 V . ..The present invention relates to a method and a device for electronically regulating and controlling AC voltages. The AC voltages in question are those that are common in public power supply networks. The typical frequency in Europe is 50 Hz, in the U.S.A. and other countries, for example 60 Hz. For certain special power networks, frequencies around 400 Hz are used. Basically, however, the invention relates to an AC voltage control, which, depending on the design, can be used between a voltage frequency of zero and up to 10 kHz. The order of magnitude of the mains voltage in public networks is always at a nominal voltage value between zero and 500 V. ..
Herkömmlich wird die Wechselspannung für Stromverbraucher hauptsächlich durch Phasenanschnittsteuerungen, durch Wech¬ selrichterschaltungen oder mittels Schwingungspaket-Steuerun¬ gen geregelt. Bei der weitaus am häufigsten angewendeten Pha¬ senanschnittsteuerung wird die Spannung reguliert, indem ein gewisser Teil der Phase weggeschnitten wird, was eine Unste- tigkeitsstelle im Spannungsverlauf bewirkt. Dadurch werden viele Oberwellen oder OberSchwingungen induziert, die sich aus den Fourier-Transformationen herleiten lassen. Beim An- schiuss vor. derart geregelten elektrischen Stor verbrauchern an das Neüz treten deshalb unerwünschte Netzrückwirkungen auf, die sich negativ auf die Qualität des Stromversorgungs¬ netzes auswirken. Die Wechselspannungs-Sinuskurve des Stormversorgungsnetzes wird von diesen zum Teil hochfrequen¬ ten Oberwellen bzw. Oberschwingungen überlagert und gewisser- assen verschmutzt. Die Elektrizitätswerke benützen aber für Rundsteuerungen überlagerte WechselspannungsSignale höherer Frequenz, zum Beispiel im Bereich von 100 Hz bis 2 kHz. Wer¬ den jedoch der Sinus-Kurve der Nenn-Wechselspannung durch solcher assen geregelte Geräte zuviele Oberwellen in diesem Frequenzbereich überlagert, so können solche Steuerungs¬ signale nicht mehr richtig detektiert werden, wodurch die Steuerung versagt. Herkömmlich werden die Oberwellen mittels Saugkreisen weitgehend unterdrückt. Es handelt sich dabei um kostspielige Serieresonanzkreise aus seriell geschalteten Ka¬ pazitäten und Induktivitäten, die in jede Phase einem Gerät vorgeschaltet werden. Die Oberwellen und Unstetigkeitsstellen im Spannungsverlauf bilden aber auch Störquellen für Funk¬ übertragungen. Zur Eliminierung dieser störenden Einflüsse werden Störfilter eingesetzt. Ein weiterer Nebeneffekt der Phasenanschnitts euerung ist der Blindstrom, welcher je nach Phasenwinkel zwischen Storm und Spannung dem Netz entzogen wird. Dieser Strom belastet das Energie-Verteilnetz unnötig und er muss deshalb in Grenzen gehalten werden. Ab gewissen Grenzen werden- deshalb aufwendige Blindstromkompensations- anlagen mit Tonfrequenzsperren eingesetzt. Dabei handelt es sich im wesentlichen um parallel geschaltete Kapazitäten und Entkopplungs-Induktivitäten, mittels denen die Blindleistung annähernd auf Null gebracht wird. Zudem werden auch eigens Blindleistungszähler installiert, damit die bezogene Blind¬ leistung verrechnet werden kann.Conventionally, the AC voltage for current consumers is mainly regulated by phase angle controls, by inverter circuits or by means of vibration packet controls. In the by far most frequently used phase control, the voltage is regulated by cutting off a certain part of the phase, which causes a point of discontinuity in the voltage curve. This will induces many harmonics or harmonics that can be derived from the Fourier transformations. When connecting before. Electrical stor consumers regulated in this way to the Neüz therefore have undesirable network perturbations which have a negative effect on the quality of the power supply network. The AC voltage sine curve of the power supply network is superimposed by these, in some cases high-frequency harmonics or harmonics, and to a certain extent contaminated. However, the electricity companies use superimposed AC signals of higher frequency for ripple control, for example in the range from 100 Hz to 2 kHz. However, if too many harmonics are superimposed on the sine curve of the nominal AC voltage by such a controlled device in this frequency range, such control signals can no longer be correctly detected, as a result of which the control fails. Conventionally, the harmonics are largely suppressed by means of suction circles. These are costly series resonance circuits consisting of capacitors and inductors connected in series, which are connected upstream of a device in each phase. However, the harmonics and discontinuities in the voltage profile also form sources of interference for radio transmissions. Interference filters are used to eliminate these interfering influences. Another side effect of the phase control is the reactive current, which is withdrawn from the network depending on the phase angle between the current and the voltage. This electricity places an unnecessary strain on the energy distribution network and must therefore be kept within limits. Above certain limits, therefore, elaborate reactive current compensation systems with audio frequency locks used. These are essentially capacitors and decoupling inductors connected in parallel, by means of which the reactive power is brought to almost zero. In addition, reactive power meters are also installed so that the purchased reactive power can be offset.
Eine zweite bekannte Art der Wechselspannungsregelung erfolgt mittels eines sogenannten Variacs mit optionalem Stellmotor. Dieses ist eine elektromechanische Vorrichtung. Sie erlaubt nur eine geringe Einstellgeschwindigkeit und ist heute über¬ dies aus Preis- und Platzgründen verdrängt worden. Einzig zu Laborzwecken findet sie noch Anwendung.A second known type of AC voltage regulation takes place by means of a so-called Variacs with an optional servomotor. This is an electromechanical device. It allows only a low adjustment speed and has been displaced today for reasons of price and space. It is only used for laboratory purposes.
Eine weitere Möglichkeit, Wechselspannungen zu regulieren, bietet der Wechselrichter. Dieses ist ein Gerät, das zuerst eine Gleichspannung erzeugt, also die Wechselspannung mittels einer Gleichrichter-Kondensatorschaltung bearbeitet, und dann mit einem Wechselrichter eine regelbare ein- oder dreiphasige Wechseispannung mit regelbarer Frequenz erzeugt. Solche Wech¬ selrichter erzeugen aber vorallem wegen ihrer Gleichrichter- Kondensator-Schaltung Oberwellen, die dann wiederum ab gewis¬ sen Grenzen mittels speziell angelegter Saugkreise eliminiert werden müssen. Wechselrichter sind ausserdem relativ teuer in bezug auf den Materialpreis. Schiiessiich sind noch elektronische Wechselspannungsschalter zu erwähnen. Es existieren einige Schaltungen, die mit Hilfe eines Grä zgieichrichters und eines Transistors ermöglichen, eine Wechseispannung zu schalten. Ein solcher Wechselspan- nungs-Schalter wird jedoch bisher bloss als Relaisschalter- Ersatz verwendet.Another option for regulating AC voltages is the inverter. This is a device that first generates a DC voltage, i.e. processes the AC voltage using a rectifier-capacitor circuit, and then uses an inverter to generate a controllable single-phase or three-phase AC voltage with a controllable frequency. Such inverters, however, primarily produce harmonics due to their rectifier-capacitor circuit, which in turn must then be eliminated from certain limits by means of specially designed suction circuits. Inverters are also relatively expensive in terms of material prices. Finally, electronic AC voltage switches should also be mentioned. There are some circuits that allow an AC voltage to be switched with the aid of a Grai rectifier and a transistor. However, such an AC voltage switch has so far only been used as a replacement for a relay switch.
In den letzten Jahren ist die Auslastung des elektrischen Stromversorgungsnetzes allgemein immer grösser geworden. Es wurde dadurch unerlässlich, die gesetzlichen Zulässigkeits- Grenzen für Oberwellen, die insbesondere infolge von Wechsel- spannungsreguiierungen induziert und ins Netz übertragen wer¬ den, zunehmend zu verschärfen. In verschiedenen Ländern exi¬ stieren eigens Kommissionen, welchen die Festlegung solcher Grenzwerte obliegt. In Europa kennt man diesbezüglich etwa die in Fachkreisen bekannte europäische Norm EN 60555 1-3. Fachleute von verschiedenen Elektrizitätswerken sehen allge¬ mein mit Besorgnis auf die wachsende Anzahl elektronisch ge¬ regelter Geräte, deren Spannungsregelung auf dem Phasen¬ anschnitt-Prinzip beruhen. Gegenwärtig arbeiten verschiedene einschlägige Kommissionen der Elektrizitätswirtschaft an der gesetzlichen Festlegung weiter verschärfter Grenzwerte.In general, the utilization of the electrical power supply network has increased in recent years. This made it imperative to increasingly tighten the legal permissibility limits for harmonics, which are particularly induced as a result of AC voltage regulations and transmitted to the network. Commissions exist in various countries, which are responsible for setting such limit values. In Europe, the European standard EN 60555 1-3, known in specialist circles, is known in this regard. Experts from various power plants generally see with concern the growing number of electronically controlled devices whose voltage regulation is based on the phase gating principle. Various relevant commissions in the electricity industry are currently working on the statutory setting of more stringent limit values.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln und Steuern von Wechselspannungen ab dem öffentlichen Verteilernetz zu schaf¬ fen, welche die eingangs erwähnten Probleme löst. Im besonde- ren soll das erfindungsgemässe Verfahren und die Vorrichtung zu dessen Ausübung eine Wechselspannungs-Regelung und -Steue¬ rung ermöglichen, die den Bezug von Blindleistung aus dem Netz eliminiert und das Auftreten von Oberwellen vermeidet.The object of the present invention is therefore to create a method and a device for regulating and controlling alternating voltages from the public distribution network, which solves the problems mentioned at the beginning. In particular In addition, the method according to the invention and the device for exercising it should enable AC voltage regulation and control, which eliminates the drawing of reactive power from the network and avoids the occurrence of harmonics.
Diese Aufgabe wird gelöst von einem Verfahren zum Regeln und Steuern von WechselSpannungen ab dem öffentlichen Verteiler¬ netz, bei dem die EingangsSpannung mittels einer Pulsweiten¬ modulation und anschliessender Filtrierung direkt in eine Ausgangswechselspannung geregelt wird, die innerhalb der Hüllkurve der Eingangswechselspannung liegt.This object is achieved by a method for regulating and controlling AC voltages from the public distribution network, in which the input voltage is regulated by means of pulse width modulation and subsequent filtering directly into an AC output voltage which lies within the envelope of the AC input voltage.
Die Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens zeichnet sich da¬ durch aus, dass zwischen den Klemmen der EingangsSpannung we¬ nigstens zwei Wechselspannungs-Schaltelemente vorhanden sind, zwischen denen die AusgangsSpannung abgegriffen wird, wobei diese Schaltelemente zur Pulsweitenmodulation wechselweise aktivierbar sind.The device for performing the method is characterized in that at least two AC switching elements are present between the terminals of the input voltage, between which the output voltage is tapped, these switching elements being able to be activated alternately for pulse width modulation.
Die Vorrichtung und das Verfahren arbeiten verlustarm. Es werden dabei keine harmonischen Netzoberwellen erzeugt und es wird keine zusätzliche-Blindleistung bezogen. Für spezifische Lasten (zB. Leuchtstoffröhren Anlagen) ist durch eine spe¬ zielle Wahl der Ausgangskurvenform (mittels Modulation) sogar eine teilweise Oberwellenkompensation der Last möglich.The device and the method operate with little loss. No harmonic harmonics are generated and no additional reactive power is drawn. For specific loads (for example fluorescent tube systems), a partial harmonic compensation of the load is even possible by a special choice of the output curve shape (by means of modulation).
Die erfindungsgemässe Spannungsregulierung kann ganz all¬ gemein zur Regelung von Wechselspannung verwendet werden, so auch insbesondere etwa als Spannungskonstanthalter und als Dreiphasenspannungsregler. Sie eignet sich zum Beispiel für die Lichtregelung, zur Regelung von Motoren, sowie als Sanft¬ anlaufSteuerung. Ihre Vorteile liegen für den Anwender in ei¬ ner Einsparung von Energiekosten durch eine zum Beispiel im Fall von Leuchtstoffröhren kaum spürbare Reduzierung der Lichtincensität. Weiter kann mit einer verlängerten Lebens¬ dauer der Startgeräte und Leuchtstoffröhren infolge Reduktion der Betriebsspannung gerechnet werden. Ausserdem werden keine Saugkreise mehr für die Unterdrückung von Oberwellen benö¬ tigt. Weiter werden keine zusätzlichen Blindstrom-Kompensa¬ tionsanlagen benötigt, das heisst es können im Vergleich zu phasenanschniüz-geregelten Geräten kleinere Bundstrom-Kom- pensationsaniagen eingesetzt werden.The voltage regulation according to the invention can be used quite generally for regulating AC voltage, in particular also as a voltage stabilizer and as Three-phase voltage regulator. It is suitable, for example, for light control, for controlling motors, and as a soft start control. For the user, their advantages lie in saving energy costs by, for example, a hardly noticeable reduction in the intensity of light in the case of fluorescent tubes. Furthermore, an extended service life of the starting devices and fluorescent tubes due to a reduction in the operating voltage can be expected. In addition, no suction circuits are required for the suppression of harmonics. Furthermore, no additional reactive current compensation systems are required, which means that smaller bundle current compensation systems can be used in comparison to devices with phase-angle control.
Für die Eiektrizitätswirtschaft hilft die erfindungsgemässe Spannungsreguiierung, wenn sie in grösserem Umfang eingesetzt wird, Energie zu sparen, die Netzauslastung zu optimieren und bezüglich der Oberwellen ein ströungsfreieres Netz zu erhal¬ ten.For the electricity industry, the voltage regulation according to the invention, if used to a greater extent, helps to save energy, to optimize the network utilization and to maintain a network that is free of flow with respect to harmonics.
Nachfolgend wird der Aufbau einer bespielsweisen erfindungs- gemässen Vorrichtung anhand von schematischen Darstellungen beschrieben und die Funktion des erfindungsgemässen Verfah¬ rens wird daran erläutert. Es zeig :The structure of a device according to the invention is described below using schematic representations and the function of the method according to the invention is explained. It shows:
Figur 1: Ein Prinzipschema der erfindungsgemässen Vor¬ richtung;Figure 1: A schematic diagram of the inventive device;
Figur 2: Den Wechselspannungs-Umschalter aus Figur 1 in seinem Inneren Aufbau;Figure 2: The AC voltage switch from Figure 1 in its interior structure;
Figur 3: eine anderer Aufbau eines Wechselspannungs-Um- schalters mit Grätz-Gleichrichtern.Figure 3: another construction of an AC voltage switch with Grätz rectifiers.
Der grundsätzliche Aufbau der erfindungsgemässen Vorrichtung zeigt Figur 1. Die eingangsseitige Wechselspannung U. wird vorerst im Eingangsfilter 1, das hier beispielsweise aus zwei parallel geschalteten Kapazitäten C und einer zwischen sie geschalteten Induktivität L besteht, gefiltert. Anschliessend an das Eingangsfilter 1 ist ein bidirektionales Umschaltele¬ ment 2 zwischen den Klemmen der EingangsSpannung angeordnet. Die Operationsgrundlage des Gerätes ist eine direkte Pulswei¬ tenmodulation der Wechselspannung mit speziell beschalteten schnellen Wechselspannungs-Schaltelementen im Innern des Umschaltelementes 2. Damit ist ein Leistungsumschalter gebil¬ det, der für die Regelung beliebiger Lasten von Null bis ca. 50 kW/kVA geeignet ist. Die eingangsseitige WechselspannungThe basic structure of the device according to the invention is shown in FIG. Following the input filter 1, a bidirectional switchover element 2 is arranged between the terminals of the input voltage. The basis of the operation of the device is a direct pulse width modulation of the alternating voltage with specially connected fast alternating voltage switching elements in the inside of the switching element 2. A power switch is thus formed which is suitable for the regulation of any loads from zero to approx. 50 kW / kVA . The AC voltage on the input side
U. wird also gefiltert und dann auf den schnellen Leis- m tungsu schalter 2 geführt, der eine Pulsweitenmodulation durchführt. Dieses pulsweitenmodulierte Signal wird mit Hilfe eines weiteren, nachgeschalteten Filters 3 wieder in eine praktisch rippelfreie SinusSchwingung der AusgangsSpannung
Figure imgf000010_0001
U. is thus filtered and then led to the fast power switch 2, which carries out a pulse width modulation. This pulse-width-modulated signal is converted into a practically ripple-free sine wave of the output voltage with the aid of a further, downstream filter 3
Figure imgf000010_0001
- 8 -- 8th -
U^-_ zurückverwandelt, deren Wert somit zwischen 0...< 100 % der Ξingangspannung Uin liegen kann. Der Kern der Vorrichtung besteht aus dem Umschaltelement 2, welches sowohl positive, w e auch negative EingangsSpannungen U. verarbeiten kann, also Wechselspannungen wie auch Gleichspannungen beliebiger Polarität.U ^ -_ converted back, whose value can thus lie between 0 ... <100% of the input voltage U in . The core of the device consists of the switching element 2, which can process both positive and negative input voltages U. That is, alternating voltages as well as direct voltages of any polarity.
Figur 2 zeigt die Grundschaltung des Umschaltelementes 2 be¬ ziehungsweise des Leistungsumschalters 2 anhand einer im Ver¬ gleich zu Figur 1 vergrösserten und detaillierten Ansicht. Es schliesst zwei Wechselspannungs-Schaltelemente 4,5 ein, zwi¬ schen denen die Klemmen für die AusgangsSpannung U ange¬ schlossen sind, wobei diese Schaltelemente 4,5 zur Pulswei¬ tenmodulation wechselweise aktivierbar sind. Die Wechselspan- nungs-Schaltelemente 4,5 bestehen hier aus je einer antiseri- eilen Beschaltung von zwei Leistungshalbleitern ..,T7 und T3,T. mit je einer zu ihnen antiparallel geschalteten Diode D1,D2 und D3,D4. Betrachtet man eine Hälfte des Um¬ schaltelementes 2, beziehungsweise das obere Schaltelement 4, und ist der erste Leistungshalbleiter T. eingeschaltet, so fliesst der Strom bei positiver EingangsSpannung U. durch diesen ersten Leistungshalbleiter T-, während die Diode D- parallel zu diesem Leistungshalbleiter T. sperrt, und weiter bei Überschreitung der Schwellenspannung der Diode D, durch diese parallel zum Leistungshalbleiter T, angeordneten Diode D-. Bei negativer EingangsSpannung U. sind die Funktionen der Leistungshalbleiter T1 und T2 vertauscht. Ist der Leistungshalbleiter T1 ausgeschaltet, so sperrt er bei posi- tiver EingangsSpannung und die Diode D, ist wegen dem sper¬ renden Leistungshalbleiter T1 ohne Funktion. Bei negativer EingangsSpannung U. sind die Funktionen der Leistungs¬ halbleiter T- und , wiederum vertauscht. Die beiden iden¬ tisch aufgebauten Grundelemente 4 und 5 werden nun wechsel¬ seitig, mit einer kleinen Totzeit dazwischen, eingeschaltet. Die Steuerung erfolgt dabei mittels der über den Leistungs¬ halbleitern T1, 2 und T.,T4 angelegten Steuerspannung UFIG. 2 shows the basic circuit of the changeover element 2 or the power changeover switch 2 on the basis of a detailed and enlarged view compared to FIG. It includes two AC voltage switching elements 4, 5, between which the terminals for the output voltage U are connected, these switching elements 4, 5 being alternately activatable for pulse width modulation. The AC voltage switching elements 4, 5 consist here of an anti-serial connection of two power semiconductors .., T 7 and T 3 , T. each with a diode D 1 , D 2 and D 3 , D 4 connected antiparallel to them. If one considers one half of the switching element 2, or the upper switching element 4, and the first power semiconductor T. is switched on, the current flows through this first power semiconductor T- when the input voltage U. is positive, while the diode D- runs parallel to this power semiconductor T. blocks, and further when the threshold voltage of the diode D is exceeded, through this parallel to the power semiconductor T, arranged diode D-. If the input voltage U. is negative, the functions of the power semiconductors T 1 and T 2 are interchanged. If the power semiconductor T 1 is switched off, it blocks at positive tive input voltage and the diode D has no function because of the blocking power semiconductor T 1 . In the case of a negative input voltage U., the functions of the power semiconductors T and, are in turn interchanged. The two identically constructed basic elements 4 and 5 are now switched on alternately, with a small dead time in between. The control takes place by means of the control voltage U applied across the power semiconductors T 1 , 2 and T., T 4
* beziehungsweise U . Somit ergibt sich die Funktion eines* or U. This results in the function of a
Umschalters. Die Dioden D--D. können sowohl Bestandteile der Leistungshalbleiter 1^-T. (Power Mos Fet oder IGET) sein, können aber auch wie gezeigt extern, also diskret vorliegen. Der Verlauf der modulierten Wechselspannung U . ist in Figur 1 schematisch dargestellt. Je nach Wahl des Puls-Pausen-Ver¬ hältnisses kann eine bestimmte proportionale AusgangsSpannung U t der gleichen Kurvenform erzeugt werden wobei der Wert der Spannung natürlich immer im Innern der Hüllkurve der Ein¬ gangsspannung U. verläuft. Wird nur über eine halbe Peri¬ odendauer moduliert und werden dabei noch die Pulsweiten va¬ riiert, so kann die AusgangsSpannung U t eine beliebig vor¬ gegebene Kurvenform aufweisen. Diese Anwendung ist vorallem zur Kompensation allfällig auftretender Oberwellen von Inter¬ esse, also wenn eine Last ein nichtlineares Verhalten auf¬ weist.Switch. The diodes D - D. can both components of the power semiconductor 1 ^ -T. (Power Mos Fet or IGET), but can also be external, i.e. discrete, as shown. The course of the modulated AC voltage U. is shown schematically in Figure 1. Depending on the choice of the pulse-pause ratio, a certain proportional output voltage U t of the same curve shape can be generated, the value of the voltage naturally always running inside the envelope of the input voltage U. If modulation is only carried out over half a period and the pulse widths are varied, the output voltage U t can have any curve shape. This application is primarily of interest for the compensation of any harmonics that occur, that is, if a load exhibits a non-linear behavior.
Figur 3 zeigt eine alternative Vorrichtung, die ebenfalls für den gleichen Zweck benutzt werden kann. Für positive sowie negative EingangsSpannungen U. werden durch die Gr tzgleich- - 1 0 - richter D5 und Dg den Leistungshalbleitern T5 und Tß jeweils immer Gleichspannungen zum Verarbeiten zugeführt. Die Wechselspannungs-Schaltelemente 4,5 schliessen daher je eine Grätz-Gleichrichter-Schaltung D5 und Dg ein, deren Wechsel¬ spannungseingänge die Anschlüsse der Wechselspannungs-Schalt- elemente 4,5 bilden und zwischen deren Gleichspannungs-Aus¬ gängen je ein Leistungshalbleiter-Element T5 beziehungsweise Tg angeschlossen ist.Figure 3 shows an alternative device which can also be used for the same purpose. For positive and negative input voltages U. - 1 0 - Richter D 5 and D g always the power semiconductors T 5 and T ß always supplied with DC voltages for processing. The AC voltage switching elements 4, 5 therefore each include a Grätz rectifier circuit D 5 and D g , the AC voltage inputs of which form the connections of the AC voltage switching elements 4, 5 and a power semiconductor between their DC voltage outputs -Element T 5 or T g is connected.
Besonders vorteilhaft werden die zwei Wechselspannungs- Schaltelemente 4,5, sei es für eine Beschaltung nach Figur 2 oder nach Figur 3, durch industriell gefertigte Hybrid-Module gebildet.The two AC voltage switching elements 4, 5, whether for a circuit according to FIG. 2 or according to FIG. 3, are particularly advantageously formed by industrially manufactured hybrid modules.
Die Erfindung ermöglicht es, eine weitgehend sinusförmige Leistungs-StromJcurve zu erreichen, indem die Wechselspannung entsprechend durch Pulsweitenmodulation reguliert wird. Grundsätzlich ist das Betreiben des Verfahren und der Vor¬ richtung im Bereich zwischen Null bis hinauf auf 10 kHz mög¬ lich. Die Spannung kann dabei innerhalb der Hüllkurve der EingangsSpannung U-n einen beliebigen Verlauf annehmen, je nach Variation der Pulsweiten und Pulspausen. The invention makes it possible to achieve a largely sinusoidal power-current curve by regulating the AC voltage accordingly by pulse width modulation. In principle, the method and the device can be operated in the range between zero and up to 10 kHz. The voltage can take any course within the envelope of the input voltage U- n , depending on the variation of the pulse widths and pulse pauses.

Claims

Patentansprüche Claims
1. ) Verfahren zum Regeln und Steuern von WechselSpannungen ab dem öffentlichen Verteilernetz, bei dem die Eingangs¬ spannung (U. ) mittels einer Pulsweitenmodulation und anschliessender Filtrierung direkt in eine Ausgangswechselspannung (U t) geregelt wird, die inner¬ halb der Hüllkurve der Eingangswechselspannung (U^-J liegt.1.) Method for regulating and controlling AC voltages from the public distribution network, in which the input voltage (U.) is regulated directly into an output AC voltage (U t ) by means of pulse width modulation and subsequent filtering, which is within the envelope of the AC input voltage (U ^ -J lies.
2.) Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die EingangsSpannung2.) Method according to claim 1, wherein the input voltage
(U. ) mittels eines bestimmten Puls-Pausen-Verhältnisses in so reguliert wird, dass eine bestimmte proportionale AusgangsSpannung .(U t) der gleichen Kurvenform erzeugt wird. (U.) is regulated by means of a certain pulse-pause ratio in such a way that a certain proportional output voltage. (U t ) of the same curve shape is generated.
3.) Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die EingangsSpannung (U. ; mittels einer Variation der Pulsweiten über eine halbe Periodendauer so reguliert wird, dass die AusgangsSpannung (U t) eine beliebig vorgegebene Kur¬ venform aufweist.3.) Method according to claim 1, in which the input voltage (U.; is regulated by means of a variation of the pulse widths over half a period, so that the output voltage (U t ) has an arbitrarily predetermined curve shape.
4. ) Vorrichtung zur Ausübung eines der vorhergehenden Ver¬ fahren, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Klem¬ men der EingangsSpannung (u-in) wenigstens zwei Wechseispannungs-Schaltelemente (4,5) vorhanden sind, zwischen denen die Ausgangsspannung (U t) abgegriffen wird, wobei diese Schaltelemente (4,5) zur Pulsweitenmo¬ dulation wechselweise aktivierbar sind.4.) Device for performing one of the preceding methods, characterized in that at least two AC switching elements (4, 5) are present between the terminals of the input voltage ( u -i n ), between which the output voltage (U t ) is tapped, wherein these switching elements (4, 5) can be activated alternately for pulse width modulation.
5.) Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannungs-Schaltelemente (4,5) aus je einer antiseriellen Beschaltung von zwei Leistungshalb¬ leitern (T1,T2;T3,T4) mit je einer zu ihnen antiparallel geschalteten Diode (D1,D2;D-,D.) einschliessen. 5.) Device according to claim 4, characterized in that the AC switching elements (4, 5) each have an antiserial connection of two power semiconductors (T 1 , T 2 ; T 3 , T 4 ), each with one antiparallel to them include switched diode (D 1 , D 2 ; D-, D.).
6.) Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannungs-Schaltelemente (4,5) je eine Grätz-Gleichrichter-Schaltung (D5;Dg) einschliessen, de¬ ren Wechselspannungseingänge die Anschlüsse der Wechsel- spannungs-Schaltelemente (4,5) bilden und zwischen deren Gleichspannungs-Ausgängen je ein Leistungshalbleiter- Eiement (T5;Tg) angeschlossen ist.6.) Device according to claim 4, characterized in that the alternating voltage switching elements (4,5) each include a Grätz rectifier circuit (D 5 ; D g ), whose alternating voltage inputs, the connections of the alternating voltage switching elements ( 4,5) and a power semiconductor element (T 5 ; T g ) is connected between their DC voltage outputs.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Wechselspannungs-Schalt- elemente (4,5) ein industriell gefertigtes Hybrid-Modul bilden. Device according to one of claims 4 to 6, characterized in that the two AC switching elements (4,5) form an industrially manufactured hybrid module.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2267788A (en) * 1992-06-04 1993-12-15 Strand Lighting Ltd Dimmer circuit
DE19532377A1 (en) * 1994-08-12 1997-03-06 Robert Seuffer Gmbh & Co Supply of AC load especially AC motor

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DK1067671T3 (en) * 1999-07-02 2003-03-31 Magnetek Spa Power supply circuit for an electric motor and associated control method
AU2003219535A1 (en) 2003-03-14 2004-09-30 Magnetek S.P.A. Electronic circuit breaker

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1127142A (en) * 1964-10-27 1968-09-11 Ohio Crankshaft Co Improvements relating to frequency-changing power supply circuits
US4742441A (en) * 1986-11-21 1988-05-03 Heart Interface Corporation High frequency switching power converter
EP0311995A2 (en) * 1987-10-14 1989-04-19 Citation Marketing Patricia A. Bailey Power saving circuitry

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1127142A (en) * 1964-10-27 1968-09-11 Ohio Crankshaft Co Improvements relating to frequency-changing power supply circuits
US4742441A (en) * 1986-11-21 1988-05-03 Heart Interface Corporation High frequency switching power converter
EP0311995A2 (en) * 1987-10-14 1989-04-19 Citation Marketing Patricia A. Bailey Power saving circuitry

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
I.E.E.E. TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS vol. 35, no. 3, August 1988, NEW YORK, USA Seiten 442 - 443; KHOEI ET AL: "SINGLE-PHASE AC-AC CONVERTERS USING POWER MOSFET'S" siehe das ganze Dokument *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2267788A (en) * 1992-06-04 1993-12-15 Strand Lighting Ltd Dimmer circuit
DE19532377A1 (en) * 1994-08-12 1997-03-06 Robert Seuffer Gmbh & Co Supply of AC load especially AC motor

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CH679704A5 (en) 1992-03-31

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