DD216830A1

DD216830A1 - CIRCUIT ARRANGEMENT FOR PERFORMANCE CONTROL OF AC AND DC CURRENT CONSUMERS

Info

Publication number: DD216830A1
Application number: DD25295983A
Authority: DD
Inventors: Hans-Juergen Stoeckel; Edgar Dombrowski; Karl-Heinz May; Dieter Scheidel; Martin Sorge
Original assignee: Stoeckel Hans J; Edgar Dombrowski; May Karl Heinz; Dieter Scheidel; Martin Sorge
Priority date: 1983-07-11
Filing date: 1983-07-11
Publication date: 1984-12-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Leistungssteuerung von Wechsel- und Drehstromverbrauchern in Wechselstrom- bzw. Drehstromnetzen, die vorwiegend zur Steuerung von elektrischen Heizungsanlagen und elektrischen Antrieben geeignet ist. Das Ziel der Erfindung ist, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die sich durch einen einfachen, wirtschaftlichen Aufbau und durch einen wesentlich geringeren Raumbedarf als Anordnungen zur Leistungsverstellung von Grossverbrauchern mittels Stelltransformatoren, auszeichnet. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass das Nullspannungssignal eines als Nullspannungsschalter dienenden Komparators mit den Impulsen eines zur Einstellung des Tastverhaeltnisses verwendeten astabilen Multivibrators in einem DFF logisch miteinander verknuepft wird. Das Ausgangssignal des DFF wird mit Rechteckimpulsen hoher Frequenz zur sicheren Thyristorzuendung in einer weiteren Verknuepfungslogik verarbeitet und ueber Optokoppler zur Thyristoransteuerung weitergeleitet. Mit der erfindungsgemaessen Loesung entfaellt die Vorgabe eines Zuendverzugswinkels.The invention relates to a circuit arrangement for power control of AC and AC loads in AC or three-phase networks, which is mainly suitable for controlling electrical heating systems and electrical drives. The object of the invention is to provide a circuit arrangement which is characterized by a simple, economical construction and by a much smaller space requirement as arrangements for power adjustment of large consumers by means of variable transformers. According to the invention, the object is achieved in that the zero-voltage signal of a comparator serving as a zero-voltage switch is logically connected to the pulses of an astable multivibrator used for setting the Tastverhaeltnisses in a DFF. The output signal of the DFF is processed with square pulses of high frequency for secure Thyristorzuendung in a further logic connection and passed on via optocouplers for thyristor control. With the inventive solution, the specification of a Zuendverzugswinkels omitted.

Description

Title of the invention

Schaltungsanordnung zur Leistungssteuerung von Wechsel- und Drehstroinverbrauchern :·.''·..'Circuit arrangement for power control of AC and rotary current consumers: ·.

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, die zur Leistungssteuerung von Wechsel- und Drehstromverbrauchern in Wechselstrom- bzw. Drehstroainetzen, insbesondere zur Steuerung von Elektroheizungen und elektrischen Antrieben, geeignet ist.The invention relates to a circuit arrangement which is suitable for the power control of AC and AC consumers in AC or rotary current networks, in particular for the control of electric heaters and electric drives.

Charakteristik der bekannten technischen Losung . . Characteristic of the known technical solution . ,

Es sind Schaitungsanordnungen zur Leistungssteuerung von . . Wechselstroaiverbrauchern, die jedoch erhebliche Mängel aufweisen, bekannt. So wird in der DS-AS I563 231 eine Leistungavers te llung von Y/echselstrornverbrauchern beschrieben, die einen material- und fertigungsintensiveη Aufbau erfordert, Als .potentialtrennende Elemente dienen Übertrager. In der DE-OS 1 563 376 handelt es sich um eine Steueranordnung mehrerer Stromrichterventile, bei welcher ein Kondensator in, Reihe mit der Laststrecke eines stetig steuerbaren, elektronischen Terstärkerelatentes und eines veränderbaren Widerstandes, der im Steuerkreis des .Verstärkarelementes angeordnet ist, der Yersorgungsspannungsquelle der Anordnung paralle!geschaltetThey are circuit arrangements for power control of. , Wechselstroiiverbrauchern, however, have significant shortcomings, known. Thus, DS-AS I563 231 describes a power dissipation of high-current consumers which requires a material-intensive and production-intensive design. Transformers are used as potential-separating elements. In DE-OS 1 563 376 is a control arrangement of several converter valves, in which a capacitor in series with the load path of a continuously controllable electronic Terstärkerelatentes and a variable resistor which is arranged in the control circuit of .Verstärkarelementes, the Yersorgungsspannungsquelle the Arrangement paralle! Switched

4 Uli 4θ3 0·ι·Ί ny.^ 1 Π 4 Uli 4θ3 0 · ι · Ί ny. ^ 1 Π

ist. Nachteilig ist, daß die Zündung durch. Satladung eines Kondensators erfolgt und die Vorgabe eines Zündwinkels erforderlich ist. · .' . is. The disadvantage is that the ignition by. Sat charging of a capacitor takes place and the specification of a firing angle is required. ·. ' ,

Desweiteren wird in der DE-AS ' 1 801· AQ4 eine 3ehaltungsanordnung zur. kontaktlosen Steuerung der leistung von Wechselstroffiverbrauchern' durch Thyristoren mittels Impulsgrüppensteuerung beschrieben. Der Aufbau dieser Schaltungsanordnung ist .nur mit diskreten Bauelementen möglich.,. Die galvanische Trennung zwischen Steuerkreis und Lastkreis erfolgt mittels J?lußwand~ _; ler, was einen relativ hohen Material- und Fertigungsaufwand bedeutet. Der. Zündimpuls wird;durch Entladung eines Kondensators über Diac realisiert. Da keine Zündimpulsgruppen» sondern, lange Einzelsignale für ein Durchzünden verwendet werden, ist die Zündsicherheit gering. Die Vorgabe eines Zündbereiches nach "Nulldurchgang ist notwendig. Der dabei anfallende Gleichanteii des Stromes im Lastkreis ist im Anwendungsfall zum Teil unerwünscht». ,' ' ·' . ,'·'.'Furthermore, in DE-AS '1 801 · AQ4 a 3ehaltungsanordnung for. non-contact control of the performance of Wechseloffoffbrauchbrauchern 'described by thyristors by means of pulse width control. The structure of this circuit is .Nur possible with discrete components.,. The galvanic isolation between the control circuit and the load circuit takes place by means of a gap wall ~ _; ler, which means a relatively high material and manufacturing costs. The. Ignition pulse is realized by discharging a capacitor via Diac. Since no Zündimpulsgruppen "but long individual signals are used for a Durchzünden, the ignition safety is low. The specification of an ignition range after "zero crossing is necessary." The resulting Gleichanteii of the current in the load circuit is partially undesirable in the application "», '' · '.,' · '.'

Bekannt ist auch ein Thyristorsteller mit Nullspannungsschalter.' Dieser Thyristorsteller hat auch den Nachteil, daß Gleichanteile des Stromes, die bei bestimmten Prozessen störend wirken, z. B. Elektrolyseerscheinungen, auftreten können, wodurch die Binsatzoiöglichkeiten dieses Gerätes begrenzt sind. Bei den bekannten Schaltungsanordnungen, die die Vorgabe eines ^Λ Zündverzugswinkels, welcher vom Typ des Thyristors abhängig ist, erforderlich machen, besteht auch der Nachteil, daß die Austauschbarkeit der Thyristoren eingeschränkt ist. Die Art und Weise der Signalverarbeitung der vorgeschlagenen ; Schaltungsanordnung ist grundsätzlich anders als bei bekannten Schaltangsanordnungen.Also known is a thyristor with zero voltage switch. This thyristor has also the disadvantage that DC components of the current that interfere with certain processes, eg. B. electrolysis, may occur, whereby the Binsatzoiöglichkeiten this device are limited. In the known circuit arrangements, which make the specification of a ^Λ Zündverzugswinkels, which is dependent on the type of thyristor required, there is also the disadvantage that the interchangeability of the thyristors is limited. The way the signal processing of the proposed; Circuit arrangement is fundamentally different than in known Schaltangsanordnungen.

Ziel der Έ-rf indung . , . Target of the Έ-rf indung . ,.

Ziel der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur Leistungssteuerung.von Wechsel- und Drehstromverbrauchern za schaffen, ,The aim of the invention is to provide a circuit arrangement for the power control of alternating and three-phase current loads.

die sich durch einen einfachen, wirtschaftlichen Aufbau,, einer wesentlichen Einsparung von Material und damit verbundenen wesentlich geringeren Raumbedarf als die bisher üblichen Anlagen auszeichnet.which is characterized by a simple, economical construction ,, a significant saving of material and associated significantly lower space requirements than the previously customary systems.

Durch die Verwendung von derartigen Schaltungsanordnungen kann die zur Zeit noch weitverbreitete Leistungsverstellung von Großverbrauchern mittels Stelltransformatoren entfallen.Through the use of such circuitry, the currently widespread power adjustment of large consumers can be omitted by means of variable transformers.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, material- und kostenaufwendige Stelltransformatoren zur Leistungsverstellung von Wechselstromverbrauchern durch eine geeignete Schaltungsanordnung, die einen Stellbereich, von 0 bis 100 % umfaßt und kontaktlos arbeitet, zu ersetzen.The invention has for its object to replace material and costly variable transformers for power adjustment of AC consumers by a suitable circuit arrangement, which includes a control range, from 0 to 100 % and operates without contact.

Die Schaltungsanordnung besteht aus einem Multivibrator 1 für die Einstellung des Tastverhaltnisses sowie einein als Null-Spannungsschalter dienenden Komparator 2, die mit einem Delay-Flip-Flop 3 verbunden sind. Der Ausgang des De-lay-Flip-Flops und der Multivibrator 5 für die Erzeugung der Zündimpulsfrequenz sind an die Verknüpfungslogik 4· angeschlossen. Nach derThe circuit arrangement consists of a multivibrator 1 for setting the duty cycle and a comparator 2 serving as zero voltage switch, which are connected to a delay flip-flop 3. The output of the de-lay flip-flop and the multivibrator 5 for the generation of the ignition pulse frequency are connected to the logic logic 4 ·. After

Verknüpfungslogik 4 sind die Optokoppler 6 und 7 angeordnet,Logic 4, the optocouplers 6 and 7 are arranged,

die jeweils über eine Ansteuerschaltung 8 bzw. 9 an die' Thyristoren 10 bzw. 11 angeschlossen sind. Die ant!parallel geschalteten Thyristoren 10 und 11 sind in Reihe mit dem Lastwiderständ 12 und der Sekundärwicklung des Lasttransformators 13 geschaltet. Statt antiparallel geschalteter Thyristoren ist auch die Verwendung eines Triac möglich· Der Steuertrafo 1A- ist derart geschaltet, daß seine Sekundärspannüng mit der Sekundärspannung des Lasttrafos 13 phasengleich ist.each connected via a drive circuit 8 and 9 to the 'thyristors 10 and 11 respectively. The anti-parallel connected thyristors 10 and 11 are connected in series with the load resistor 12 and the secondary winding of the load transformer 13. Instead of anti-parallel connected thyristors and the use of a triac is possible · The control transformer 1A- is switched so that its Sekundärspannüng with the secondary voltage of the load transformer 13 is in phase.

Um die nachteiligen hochfrequenten Störspannungen sowie den in vielen Fällen unerwünschten Gleichstromanteil im Lastkreis sicher zu vermeiden, ist die Anwendung des bekannten Prinzips der Schwingungspaketsteuerung dergestalt erforderlich,In order to reliably avoid the disadvantageous high-frequency interference voltages as well as the unwanted DC component in the load circuit in many cases, the application of the known principle of oscillation packet control is required in such a way,

daß jedes Schwingungspaket bei Itfulldurchgang dsr Spannung mit gleichartigem Spannungsanstieg beginnt. Srfindungsgeoiäß wird die Aufgabe dadurch gelöst,.daß das Hullspannungssignal eines als Nullspannungsschalter dienenden !Comparators 18 mit denthat every oscillation packet starts at the same voltage increase at the same voltage. According to the invention, the object is achieved by the fact that the hull voltage signal of a comparator 18 serving as zero voltage switch is connected to the

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impulsen eines zur Einstellung des Tästverhältnisses yervvendeten astabilen Multivibrators 1 in einem Delay-?lip-j?lop 3 logisch miteinander verknüpft werden, wobei das Tastverhältnis ein Maß für die 'umgesetzte resultierende Gesamtleistung im Verbraucher 12 darstellt.. ' .pulses of an astable multivibrator 1 used to adjust the duty ratio are logically linked together in a delay? lip j? lop 3, wherein the duty cycle is a measure of the 'converted total resulting power in the load 12 ..'.

Das Ausgangssignal des Delay-Flip-Flops 3 wird mit Rechteckiapulsen hoher Frequenz zur sicheren Thyristorzündung in einer. weiterenVerknüpfungslogik verarbeitet und über die Optokoppler 6 und 7 zur Thyristoransteuerung derart weitergeleitet,' daß im Last.kreis komplette Y/ellenzüge ohne störenden Gleichanteil wirken·The output signal of the delay flip-flop 3 is used with square high frequency pulses for safe thyristor ignition in one. processing further linking logic and forwarded via the opto-couplers 6 and 7 to the thyristor drive in such a way that complete Y / ellenzüge without disturbing direct component act in Last.kreis ·

Mit Hilfe,der Optokoppler 6 und 7 erfolgt die Potentialtrennun^ zwischen Lastkreia und Steuerkr.eis betriebssicher und unkompliziert, Die Zündung der Thyristoren 1Q und 11 erfolgt sobald der typbedingte Haltestrom des jeweiligen Thyristors 10 bzw. 11 erreicht ist. Srfindungsgemäß wird das dadurch gelöst, daß die Ansteueriapulse hoher Frequenz praktisch sofort mit HuIl-.durchgang der Spannung anliegen und bei Erreichen des .Haltestroms des jeweiligen Thyristors die Zündung des Thyristors ' erfolgt. - ' . , '.'.·.With the help of the optocouplers 6 and 7, the potential separation between the load circuit and the control circuit is reliable and uncomplicated. The ignition of the thyristors 1Q and 11 takes place as soon as the type-specific holding current of the respective thyristor 10 or 11 has been reached. According to the invention, this is achieved in that the drive pulses of high frequency are applied virtually instantaneously with the passage of the voltage and the ignition of the thyristor takes place when the respective thyristor is reached. - '. , '.'. ·.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann die Torgabe eines Zündverzugswinkels, wie das bei bekannten Schaltungaanordnungen notwendig ist,, entfallen. , :With the solution according to the invention, the Torgabe a Zündverzugswinkels, as is necessary in known Schaltungaanordnungen ,, omitted. ,:

Ausführungabeiapiel

Die Erfindung soll an folgendem Ausführungsbeispiei näher er-,läutert werden, . .·.,'.The invention will be explained in more detail by the following Ausführungsbeispiei,. . ·., '.

?ig. 1 Schaltungsanordnung als Blockschaltbild einer Leistungs· 'verstellung tvon Wechsel- oder DrehstromverbrauchernThirty. 1 circuit arrangement as a block diagram of a power adjustment of AC or three-phase loads

Pig. 2 Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen SchaltungsanordnungPig. 2 embodiment of the circuit arrangement according to the invention

Pig. 3 Spannungsverlauf am Verbraucher für drei verschiedene LeistungsstufenPig. 3 Voltage profile at the load for three different power levels

Das in Pigur 1 dargestellte Blockachaltbild zeigt die Schaltungsanordnung zur Leistungssteuerung von Wechsel- und Drehstromverbrauchern.The block diagram shown in Pigur 1 shows the circuit arrangement for power control of AC and AC loads.

Die in Figur 2 gezeigten Transistoren '1fj und 16 bilden mit einer entsprechenden Beschaltung einen bekannten astabilen Multivibrator 1 aur Einstellung des Tastverhältnisses. Der' astabile Multivibrator 1 liefert Rechteckimpulse, deren.Länge mit Hilfe des Potentiometers 24 variiert werden kann. Diese Impulse liegen am D-Eingang des Delay-Plip-Plops 3· Der Transistor 17 dient der Regelanpassung» Der als Nullspannungsschalter wirkende Komparator 18 wird phasengleich mit der Wechselspannung im Lastkreis, die durch den Lasttransformator bereitgestellt wird, über den Steuertransformator Η gespeist. Am Ausgang des Kocnparators 18 sind Rechteckimpulse vorhanden, deren Planken zeitgleich und phasengleich zum ITulldurchgang der Sinuswechselspannung liegen. Diese Rechteckimpulse werden mit dem Takteingang T des Delay-Plip-Plops 3 verbunden. Das Delay-Plip-Plop 3 schaltet bei jeder L-H-Flanke des-Taktes und übernimmt die Information vom D-Eingang, die dann am Ausgang Q erscheint. Damit wird gewährleistet, daß nur vollständige Wellenzüge entsprechend dem gewählten Tastverhältnis und immer mit dem gleichen Spannungsanstieg beginnend, am Verbraucher anliegen. The transistors' 1fj and 16 shown in FIG. 2 form, with a corresponding connection, a known astable multivibrator 1 for setting the duty cycle. The astable multivibrator 1 supplies rectangular pulses whose length can be varied with the aid of the potentiometer 24. These pulses are applied to the D input of the delay plip plop 3. The transistor 17 is used to adapt the control. The comparator 18 acting as a zero voltage switch is fed in phase with the AC voltage in the load circuit provided by the load transformer via the control transformer Η. At the output of Kocnparators 18 rectangular pulses are present, the planks are at the same time and in phase to ITulldurchgang the sine AC voltage. These square pulses are connected to the clock input T of the delay plip plop 3. The Delay-Plip-Plop 3 switches at each LH edge of the clock and takes over the information from the D input, which then appears at the Q output. This ensures that only complete waveforms according to the selected duty cycle and always with the same voltage increase starting, applied to the consumer.

Zur Erhöhung der Zündsicherheit der Thyristoren ist es erfor- ^: derlich als Zündsignal nicht ein Binzelsignal, sondern eine Impulsgruppe bestehend aus Rechteckimpulsen mit relativ hoher Polgefrequenz zu verwenden. Zu diesem Zweck wird das Ausgangssignal eines weiteren astabilen Multivibrators 5, der aus zwei NAJID-Bausteinen 19 und 20 sowie einem RC-Glied besteht, mit dem Ausgangssignal Q am Ausgang des Delay-Plip-Plops 3 in einem weiteren liAUD-Glied 21 verknüpft. Das NAND-Glied 22 stelltTo increase the ignition reliability of the thyristors, it is ^require: sary to use as a trigger signal is not a Binzelsignal, but a pulse group consisting of rectangular pulses with relatively high Polgefrequenz. For this purpose, the output signal of another astable multivibrator 5, which consists of two NAJID modules 19 and 20 and an RC element, is linked to the output signal Q at the output of the delay plip plop 3 in another liAUD element 21. The NAND gate 22 provides

die ursprünglichen Regelverhaltnisse wieder her. Über den Transistor 23 werden die Optokoppler. 6 und 7 zur Ansteuerung der antiparallelgeschalteten Thyristoren eingesetzt. Die Thyristoransteuerung 8 und 9 durch die Empfängerseite der Optokoppler 6 und 7 erfolgt in üblicher' Weise.restore the original rules. Via the transistor 23, the optocouplers. 6 and 7 used for driving the antiparallel-connected thyristors. The Thyristoransteuerung 8 and 9 through the receiver side of the optocouplers 6 and 7 takes place in the usual way.

Pigur 3 zeigt den prinzipiellen Spannungsverlauf am Verbraucher für drei verschiedene Leistungsstufen. · ·Pigur 3 shows the basic voltage curve at the load for three different power levels. · ·

Claims

7. Claim for invention

1. Circuitry for power control yy WechseL- and Drehstroniverbrauchern, - 'works on the principle of vibration packet control and a control range of 0 ·. bia 100 % , characterized in that the zero-voltage signal of a comparator serving as a zero-voltage switch ait the pulses of an astable multivibrator used to set the duty cycle and thus the required power in the consumer in a DP? logically linked together and that this output. output signal with Rechteckiap.ulsen high frequency for safe thyristor ignition in a further logic linkage is processed such that in the .Lastkreis upon reaching the holding current of the respective thyristor anti-parallel circuit is ignited, the potential separation between the load circuit and Steuerkreia by means of optocouplers er- follows. -; ;

2 "circuit arrangement according to item 1, .Dadurch in that instead of the antiparallel-connected thyristors in the load circuit, a triac is used.

Dazu_3__Seiien drawings