CN105814784B - 用于在三相系统中并联连接的阻抗组的低水平谐波控制系统 - Google Patents

用于在三相系统中并联连接的阻抗组的低水平谐波控制系统 Download PDF

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Abstract

一种用于控制电功率从网络(200)到各个阻抗组(212，222)的供应的控制系统，包括：用于与AC供电网络的周期同步的同步系统(17，18)和可编程控制单元。可编程控制单元具有控制表(250)。每个控制表(250)对应于最大电功率的特定百分比。每个控制表具有比特(0或1)的序列，1值的百分比对应于最大功率的百分比。可编程控制单元提供控制表(250)形式的数字输出(216，226)，用于控制到各个阻抗组(212，222)的电功率的静态功率开关(214，224)的命令。一个组(210，220)中的阻抗(212，222)以星形连接，并且各个组(210，220)并联连接。控制系统保证对以低的谐波水平均等地分布在三个相位上的电功率的高效使用。

Description

用于在三相系统中并联连接的阻抗组的低水平谐波控制系统
技术领域
本发明涉及用于控制电功率从网络到各个阻抗组的供应的控制系统。
本发明还涉及这样的控制系统在非接触式干燥系统中的使用。
背景技术
根据US-A-5,053,604已知用于电功率从网络到电阻器的供应的控制系统。
这一现有技术的控制系统公开了用于借助于电阻器来控制熔炉的加热的过程和设备。诸如晶闸管等开关设备被使用。开关设备由工业计算机、逻辑控制器或者某个等效设备以切分(syncopated)方式来控制。具有数字值“1”和“0”的控制表由工业计算机等生成并且以同步方式用作晶闸管的逻辑控制(接通-断开)。
然而，US-A-5,053,604的现有技术的控制系统被设计用于控制工业熔炉以及更具体地用于控制玻璃制造熔炉。对用于回火和弯曲的玻璃板的加热需要在非常窄的范围内来控制。因此，US-A-5,053,604公开了适应于由供电网提供的电功率的波动的措施。
诸如US-A-5,053,604中的具有电阻器的工业熔炉具有极大的时间常数或者很高的热惯量，使得不需要快速反应的控制系统。
另外，US-A-5,053,604中使用的电连接为开口delta(三角)连接，其不生成高水平的谐波，以使得不需要避免谐波。
此外，US-A-5,053,604的电气方案仅使用两个相位而非三个相位。
EP-A1-0 040 017公开了一种用于控制电功率从网络到各个阻抗组的供应的控制系统。控制系统包括可编程控制单元。阻抗以星形连接，并且这些组并联连接。
DE-A1-33 04 322公开了一种电热水器。来自网络的电功率与水的体积流量成比例。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种用于控制电功率到各种阻抗的供应的控制系统。
本发明的特别目的是使用小的时间常量或者低的热惯量控制到阻抗组的电功率。
本发明的另一目的是提供一种使得能够减少谐波的控制系统。
本发明的又一目的是提供一种对三相供电网络的控制系统的充分并最优的利用。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于控制电功率从网络到各个阻抗组的供应的控制系统。控制系统包括用于与供电网络的周期——即频率——同步的同步系统。控制系统还包括可编程控制单元。可编程控制单元具有控制表。每个控制表对应于特定的最大电功率水平，并且每个控制表具有比特(0或1)序列，其中1值的百分比对应于最大功率水平。控制可编程单元提供这些控制表之一的形式的数字输出，用于控制到各个阻抗组的电功率的静态功率开关的命令。至少一个组内的阻抗以星形连接，并且各个阻抗组并联链接。
使各个阻抗组并联连接的这一特征使得能够减少谐波。
一个组内的阻抗的星形连接使得能够优化电功率。
根据优选实施例，至少一个组内的阻抗以星形连接而没有到中性引线或中性导线的连接。这避免了双线缆连接或者双导线连接。
根据另一优选实施例，同步系统生成具有周期的信号。控制单元还包括指针，每个阻抗组有一个指针，并且每个指针被定位在控制表上并且在上述信号的每个循环前进一个比特。用于随后相邻的下一阻抗组的指针在控制表中的不同于前面相邻的组的指针的位置处。这一位置上的差异例如是一个比特。
不同控制表中的指针位置的这一差异避免了电流的峰值，并且进一步降低了谐波水平。
在最优选的实施例中，同步系统的信号与供电网络具有相位差。
如下文中将参考附图所解释的，这一相位差导致均等功率遍布于三个相位上。
根据实践上的实施例，同步系统的信号为具有上升沿和下降沿的方波，并且上面提及的指针在上述方波的每个上升沿前进一个比特。
根据另一优选实施例，每个控制表中的1值均匀地遍布于控制表上。
这一均匀遍布的优点在阻抗具有小的时间常数的情况下是明显的，红外线灯正是这种情况。均匀的遍布限制了灯的所谓的闪烁。
根据又一优选实施例，静态功率开关仅用在三个相位中的两个相位中。这节省了一个相位中的静态功率开关。
根据本发明的第二方面，提供了一种包括根据本发明的第一方面的控制系统的非接触式干燥系统。在非接触式干燥系统中，阻抗为红外线灯。
附图说明
图1a图示根据本发明的控制系统的同步系统，图1b图示同步信号的周期与供电网络的周期之间的相位差；
图2图示根据本发明的控制系统；
图3示出三个红外线灯的星形连接上的电压和电流的曲线。
图4示出向一个阻抗组的电力供应的优选实施例。
图5a、图5b和图5c示出图4的实施例上的电压和电流的曲线。
具体实施方式
图1a图示本发明的控制系统的同步系统。电力的三相供电网络10(400V，AC)通过中性连接而连接到delta-星形变压器11。变压器电压比为1/10，以使得变压器的输出电压为40V，AC。中性点与一个相位之间的电压12为或者大约24V。这一电压12被馈送给对固态继电器15做出命令的静态命令开关13。这些固态继电器15被馈入一个24V的直流电，并且这生成幅度为24V且频率等于供电网络10的频率的方波17。由于在中性点与一个相位之间得到AC电压12这一事实，电压12与供电网络10之间存在30°的相位差这在图1b中图示出。这一相位差同样存在于同步方波17与供电网络10之间。这一相位差的优点将在下文中进行解释。同步方波信号17具有上升沿和下降沿。
18是同步的PLC输入。
图2图示根据本发明的控制系统(的部分)。通常与图1的供电网络相同的三相供电网络200向非接触式干燥器和检测器(profiler)供应电力。非接触式干燥借助于红外线灯来进行。红外线灯被分为各个组210、220、……。例如，组210中可以有三个红外线灯212，组220中可以有三个红外线灯222，等等。每个组的红外线灯的数目也可以是三的倍数：六、九……。
红外线灯212、222的每个组210、220并联连接到供电网络200。
在每个组210、220内部，红外线灯212、222以星形连接而没有到中性引线或者中性导线的连接。
诸如相位A和C上的功率晶闸管214、224等静态功率开关确定了到红外线灯212、222的电流。
静态功率开关214、224接收数字输入信号216、226。信号是数字的，这表示“0”代表关断并且“1”代表接通。数字输入信号216、226的值由指针218、228在控制表250上的位置来确定。指针218与第一组红外线灯212相关联。指针228与第二组红外线灯222相关联。指针228相对于指针218的位置平移一个比特。在同步方波17的每一个上升沿每个指针前进一个比特。每组红外线灯的每个指针的平移限制了电流的峰值。
存在101个控制表250。每个控制表对应于在0％到100％之间的功率水平：0％、1％、2％、……、99％、100％。
每个表具有例如256个比特。1值的百分比对应于最大功率水平的百分比。
0％表仅具有0值：00000000……
50％表具有50％的0值以及50％的1值：11001001100……
75％表具有75％的1值：1110111011101110……
100％表仅具有1值：111111111111111……
最优选地，1值均匀地遍布于控制表中，因为这降低了红外线灯的闪烁效应。
图3示出四个周期上的三个红外线灯的星形连接上的电压和电流的曲线。
上半部的曲线为电压曲线，其全部是正弦曲线。
曲线UAB、UBC和UCA分别是图2上的点A-B之间、点B-C之间和点C-A之间的电压。
曲线VA、VB和VC分别是星形的中点与A之间、星形的中点与B之间以及星形的中点与C之间的电压。
观察下半部的曲线，曲线30是命令信号。功率晶闸管214仅在对应电压VA、VB或VC跨过零伏特并且命令信号30具有正值的情况下导通。因此生成的电流分别用曲线IA、IB和IC表示。
这些电流不是正弦的，并且单独取出的每个电流生成谐波。然而，由于红外线灯的例如十个组的多个组并联连接这一事实，减小了谐波的全局影响。
图4示出向一个阻抗组的电力供应的优选实施例。如同图2的实施例，图4的实施例的优点在于，其仅具有两个静态继电器40和42。
图5a示出图4的实施例上的电压和电流的曲线。
供电网络为400VAC 50Hz的三相网络。相位A和C通过静态继电器被供电，相位B直接被供电。要供电的三个红外线灯具有阻抗RA、RB和RC。这些红外线灯在235VAC下具有3000W的标称功率。在本示例中，命令信号50对应于最大功率的50％，并且具有控制表110011001100……。用于静态继电器40和42的联合命令信号50为方波信号50，方波信号50在40毫秒期间具有正的信号，之后在40毫秒期间具有零信号。
VRA、VRB和VRC分别是三个红外线灯的阻抗RA、RB和RC上的电压。针对每个红外线灯获得的功率为：
PA＝1501W
PB＝1490W
PC＝1501W
因此针对每个红外线灯的功率几乎相等。为了获得功率的这一均匀分布，避免命令信号50的上升沿与电压UAB和UBC的过零一致是很重要。如参考图1a和图1b解释的，这可以通过在一个相位与中性点之间在delta星形变压器的次级站点处对同步系统的静态命令开关进行线缆连接来获得。以这一方式，在同步系统的方波17与电压UAB、UBC和UCA之间产生相位差这一相位差避免了方波17的上升沿以及UAB和UBC的过零的同时开始。假定不存在相位差则方波17的较小的延迟可能导致静态继电器或者功率开关保持关断而非接通，反之亦然。
图5b更详细地示出第一静态继电器40和第二静态继电器42以及三个电阻RA、RB和RC开始导通的时间。
当电压UAB过零并且命令信号50为正时，第一静态继电器40从t1开始导通。RA上的电压然后等于UAB/2，并且RB上的电压等于-UAB/2。
从t2开始，在VC过零的时刻，第二静态继电器42开始导通。从t2开始，三个阻抗RA、RB和RC在所有三个相位中被馈电。
参考图5b和图5c二者，三个阻抗RA、RB和RC在t2到t3之间在所有三个相位中被馈电。
图5c更详细地示出第一静态继电器40和第二静态继电器42以及三个电阻RA、RB和RC停止导通的时间。
在t3，VA在命令信号50已经变为零的时刻过零，第一静态继电器40停止导通。第二静态继电器42继续导通直到t4。RC上的电压等于-UBC/2并且RB上的电压等于UBC/2。
在t4，在UBC过零并且命令信号50为零的时刻，第二静态继电器也停止导通。
如根据图5a可以得到的，除了开始周期t1-t2以及停止周期t3-t4，信号非常接近正弦形状，以使得谐波的水平被限制。
另外，并且如已经提及的，由于各个阻抗组被并联地线缆连接，所以谐波的影响被进一步最小化。
附图标记与符号表
10 电功率供电网络
11 变压器
12 中性点与一个相位之间的电压
13 静态命令开关
15 固态继电器
16 24DC电压
17 同步方波
18 同步输入PLC
Y 星形连接
Δ Delta连接
相位差 200 供电网络
210 第一组红外线灯
212 红外线灯
214 功率晶闸管
216 数字输入信号
218 控制表上的指针
220 第二组红外线灯
222 红外线灯
224 功率晶闸管
226 数字输入信号
228 控制表上的指针
250 控制表
30 命令信号
40 第一静态继电器
42 第二静态继电器
50 命令信号
UAB A与B之间的电压
UBC B与C之间的电压
UCA C与A之间的电压
VA A上的电压
VB B上的电压
VC C上的电压
IA 通过相位A的红外线灯的电流
IB 通过相位B的红外线灯的电流
IC 通过相位C的红外线灯的电流
RA 红外线灯的阻抗
RB 红外线灯的阻抗
RC 红外线灯的阻抗
VRA 阻抗RA上的电压
VRB 阻抗RB上的电压
VRC 阻抗RC上的电压

Claims (9)

1.一种用于控制电功率从网络到各个阻抗组的供应的控制系统，
所述控制系统包括用于与AC供电网络的周期同步的同步系统，
所述控制系统还包括可编程控制单元，
所述可编程控制单元具有控制表，
每个控制表与最大电功率的特定百分比相对应，
每个控制表具有比特(0或1)序列，每个控制表中1值的百分比对应于最大功率的所述百分比，
所述可编程控制单元提供以所述控制表形式的数字输出，用于控制到所述各个阻抗组的电功率的静态功率开关的命令，所述控制表中的“0”代表关断，所述控制表中的“1”代表接通，至少一个组内的阻抗以星形连接，
所述各个组并联连接。
2.根据权利要求1所述的控制系统，
其中所述至少一个组内的阻抗以星形连接而没有到中性引线或者中性导线的连接。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的控制系统，
其中所述同步系统生成具有周期的信号，并且
其中所述控制单元还包括指针，
每个阻抗组有一个指针，
每个指针被定位在控制表上并且在所述信号的每个周期前进一个比特，
用于后面相邻的下一阻抗组的指针在所述控制表中的不同于前面相邻的组的指针的位置处。
4.根据权利要求3所述的控制系统，
其中所述信号与所述供电网络具有相位差。
5.根据权利要求4所述的控制系统，
其中所述信号是具有上升沿和下降沿的方波，并且其中所述每个指针在所述方波的每个上升沿前进一个比特。
6.根据权利要求1-2和4-5中的任一项所述的控制系统，
其中每个控制表中的“1”值均匀地遍布于所述控制表上。
7.根据权利要求1-2和4-5中的任一项所述的控制系统，
其中所述阻抗为红外线灯。
8.根据权利要求1-2和4-5中的任一项所述的控制系统，
其中静态功率开关仅被用在三个相位中的两个相位中。
9.一种非接触式干燥系统，包括根据前述权利要求中的任一项所述的控制系统。
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