DE10044574A1

DE10044574A1 - Variable control circuit for AC load e.g. lighting or heating device or variable speed motor, uses phase chopping of rectified sinusoidal half waves of supply network voltage

Info

Publication number: DE10044574A1
Application number: DE10044574A
Authority: DE
Inventors: Dieter Leber
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-09-08
Filing date: 2000-09-08
Publication date: 2001-03-15

Abstract

The variable control circuit has a network filter, a network rectifier, a H-bridge across which the load (4) is connected in series with a smoothing inductance and a control unit for the H-bridge with a constant clock frequency above the supply network frequency and a variable pulse width. The intermediate circuit voltage is provided by rectified sinusoidal half waves of the supply voltage (1), with phase chopping for regulation of the power of the supplied load.

Description

State of the art

Sobald ein elektrischer Wechselstromverbraucher nicht einfach nur EIN und AUS sondern in seiner Leistung variabel gesteuert werden soll, wird dazu ein Wechselrichter eingesetzt. Die bekannten Wechselrichter können in zwei Gruppen eingeteilt werden. Zum einen in die Gruppe der Phasensteller (Dimmer), welche immer dann eingesetzt werden, wenn Leistung als variable Spannung benötigt wird, wie z. B. zur Steuerung von Lichtmengen sowie Heizleistungen und zum anderen in die Gruppe der Frequenzumrichter, welche immer dann eingesetzt werden, wenn variable Frequenzen und unter Umständen zusätzlich variable Spannung benötigt werden, wie z. B. zur Leistungs- und Drehzahlsteuerung von drei-phasen Motoren.As soon as an electrical AC consumer is not just ON and OFF but in his To control the output variably, an inverter is used. The known inverters can be divided into two groups. Firstly in the group of Phase adjuster (dimmer), which are always used when power as a variable voltage is needed, such as B. to control the amount of light and heating power and the other in the Group of frequency inverters, which are always used when variable frequencies and Under certain circumstances, additional variable voltage is required, such as. B. for performance and Speed control of three-phase motors.

Phasensteller oder Dimmer (Fig. 1) steuern die Leistung, indem sie dem Verbraucher (4) das Netz (2) als Phasenanschnitt (5) zuführen. Der Phasenanschnitt wird typischerweise mit einem antiparallelen Thyristorsatz oder einem TRIAC (3) durchgeführt.Phase adjusters or dimmers ( Fig. 1) control the power by feeding the consumer ( 4 ) the network ( 2 ) as a leading edge ( 5 ). The phase control is typically carried out with an anti-parallel thyristor set or a TRIAC ( 3 ).

Frequenzumrichter (Fig. 2) steuern die Leistung, indem sie dem Verbraucher (19) ein neu generiertes Netz mit variabler oder festen Frequenz und je nach Anwendung zusätzlich variabler Spannung (31) zuführen. Frequenzumrichter haben einen eigenen internen Gleichspannungs-Zwischenkreis (15), welcher den Verbraucher (19) wesentlichen vom speisenden Netz (10) entkoppelt. Von diesem Zwischkreis kann mittels H-Brücke (17) und einer Längsinduktivität (18) jede beliebige Spannung innerhalb 0 V und der Zwischenkreisspannung mit einer in einem weiten Bereich wählbaren Frequenz generiert werden (31), ohne direkten Einfluß auf das speisende Netz. Der Gleichspannungs-Zwischenkreis wird mittels Gleichrichter (14) und einer Siebung (16) aus den öffentlichen Netz (10) gespeist.Frequency converters ( FIG. 2) control the power by supplying the consumer ( 19 ) with a newly generated network with variable or fixed frequency and, depending on the application, additionally variable voltage ( 31 ). Frequency converters have their own internal DC voltage intermediate circuit ( 15 ), which essentially decouples the consumer ( 19 ) from the supply network ( 10 ). From this intermediate circuit, any voltage within 0 V and the intermediate circuit voltage can be generated with a frequency that can be selected in a wide range ( 31 ) by means of an H-bridge ( 17 ) and a series inductor ( 18 ), without direct influence on the supply network. The DC voltage intermediate circuit is fed from the public network ( 10 ) by means of a rectifier ( 14 ) and a sieve ( 16 ).

Die Steuereinheit (20) erzeugt einen Steuertakt (30), der in der Regel wesentlich höher liegt als die zu erzeugende Frequenz der Ausgangsspannung (31). Während einer Halbwelle der zu erzeugenden Ausgangsspannung nimmt die Pulsbreite des Steuertaktes (30) zu um dann beim Maximum der zu erzeugenden Ausgangsspannung wieder abzunehmen. Ist der Nulldurchgang erreicht, wird die Richtung in der Brücke umgeschaltet und in gleicher Art und Weise die negative Halbwelle erzeugt. Wenn z. B. eine Sinus-Ausgangsspannung mit einem bestimmten Scheitelwert erzeugt werden soll, so hat die Zu- und Abnahme der Pulsbreiten je Halbwelle sinusförmig zu erfolgen und zwar geradewegs so, daß im Maximum der Halbwelle die Pulsbreite so groß ist, daß sich die gewünschte Ausgangsspannung einstellt. Eine Längsinduktivität (18) glättet die generierten Pulse (30) und erzeugt damit eine Kurvenform (32), welche der gewünschten Kurvenform (31) bis auf eine Restwelligkeit sehr nahe kommt. Die Restwelligkeit wird durch die Größe der Längsinduktivität und der Höhe der Grundfrequenz der Steuereinheit (20) bestimmt. Je höher die Taktfrequenz der Steuereinheit (20) und je größer die Längsinduktivität gewählt wird, desto kleiner wird die Restwelligkeit. In der Praxis muß ein Optimum zwischen hoher Taktfrequenz mit den damit verbunden Umschaltverlusten in der H-Brücke (17) und hoher Längsinduktivität (18) mit den damit verbundenen Durchlaßverlusten gesucht werden.The control unit ( 20 ) generates a control clock ( 30 ) which is generally much higher than the frequency of the output voltage ( 31 ) to be generated. During a half-wave of the output voltage to be generated, the pulse width of the control clock ( 30 ) increases and then decreases again at the maximum of the output voltage to be generated. When the zero crossing is reached, the direction in the bridge is switched and the negative half-wave is generated in the same way. If e.g. B. a sine output voltage is to be generated with a certain peak value, the increase and decrease in the pulse widths per half-wave must be sinusoidal and straight so that in the maximum of the half-wave the pulse width is so large that the desired output voltage is obtained . A longitudinal inductor ( 18 ) smoothes the generated pulses ( 30 ) and thus generates a curve shape ( 32 ) which comes very close to the desired curve shape ( 31 ) except for a residual ripple. The residual ripple is determined by the size of the longitudinal inductance and the level of the fundamental frequency of the control unit ( 20 ). The higher the clock frequency of the control unit ( 20 ) and the greater the longitudinal inductance chosen, the smaller the residual ripple. In practice, an optimum between high clock frequency with the associated switching losses in the H-bridge ( 17 ) and high longitudinal inductance ( 18 ) with the associated transmission losses must be sought.

Zur allgemeinen Netzentstörung wird das speisende Netz (10) mittels Induktivitäten (11) und einem Kondensator (12) entkoppelt und gefiltert.For general network interference suppression, the supply network ( 10 ) is decoupled and filtered by means of inductors ( 11 ) and a capacitor ( 12 ).

Disadvantages of the known technology

Phasensteller (Fig. 1) schalten nur einen Teil jeder Halbwelle (5) an den Verbraucher (4) durch. Die so erzeugte Spannung (5) hat die gleiche Frequenz und die gleiche Phasenlage wie die speisende Netzspannung (1). Durch den Verbraucher (4) fließt nur Strom für die Zeit, für die das speisende Netz zu dem Verbraucher durchgeschaltet ist. Daher verursachen Phasensteller im speisenden Netz (2) systembedingt nicht-sinusförmige Ströme und damit Oberwellen. Nach den aktuellen Vorschriften, unter anderem z. B. EN 61000-3-2, ist der Anteil Oberwellen in öffentlichen Netzen strickt reglementiert. Phasenanschnitt erzeugt in der Regel wesentlich höhere Oberwellen als zugelassen. Da sich Anteil und Höhe der Oberwellen je nach Zündwinkel stark ändert, ist eine Kompensation der Oberwellen durch z. B. Glättungsdrosseln oder aktive Power-Factor-Correction praktisch nicht möglich. Somit ist der Einsatz von Phasenanschnitt an öffentlichen Netzen in Zukunft nicht mehr anwendbar. Phase adjuster ( Fig. 1) switch through only a part of each half-wave ( 5 ) to the consumer ( 4 ). The voltage ( 5 ) generated in this way has the same frequency and the same phase position as the supplying mains voltage ( 1 ). Only current flows through the consumer ( 4 ) for the time that the supply network is connected to the consumer. Therefore, phase adjusters in the supply system ( 2 ) cause non-sinusoidal currents and thus harmonics. According to the current regulations, e.g. B. EN 61000-3-2, the proportion of harmonics in public networks is strictly regulated. Leading edge generally generates higher harmonics than permitted. Since the proportion and magnitude of the harmonics changes greatly depending on the ignition angle, compensation of the harmonics by z. B. smoothing chokes or active power factor correction practically not possible. The use of phase control on public networks will no longer be applicable in the future.

Bei Frequenzumrichtern (Fig. 2) besteht der Zwischenkreis (15) prinzipiell aus einem Netzgleichrichter (14) mit einem nachgeschalteten großen Siebkondensator (16), wobei der Gleichrichter das speisende Netz (10) mit seinem für öffentliche Netze typischen Sinus-Spannungsverlauf (21) gleichrichtet und der Siebkondensator (16) das gleichgerichtete Signal glättet (22). Die Kombination aus Gleichrichter und Siebkondensator führt im speisenden Netz jedoch ebenfalls zu nicht-sinusförmigen Strömen und damit zu Oberwellen. Der Oberwellenanteil ist zwar lastabhängig, jedoch hat er immer ähnliche Charakteristik und ist deshalb mit einer aufwendigen PFC (Power-Factor-Correction) Einheit (13) kompensierbar. Die PFC Einheit ist entweder aktiv oder passiv auszuführen, was im einen Fall zu sehr voluminösen schweren Induktivitäten sowie Kondensatoren und im anderen Fall zu komplexer Elektronik mit vielen Leistungshalbleitern führt.In the case of frequency converters ( FIG. 2), the intermediate circuit ( 15 ) basically consists of a mains rectifier ( 14 ) with a large filter capacitor ( 16 ) connected downstream, the rectifier connecting the supplying mains ( 10 ) with its sine voltage curve ( 21 ) typical of public networks. rectified and the filter capacitor ( 16 ) smoothes the rectified signal ( 22 ). However, the combination of rectifier and filter capacitor also leads to non-sinusoidal currents in the supply network and thus to harmonics. The harmonic component is load-dependent, but it always has a similar characteristic and can therefore be compensated for with a complex PFC (Power Factor Correction) unit ( 13 ). The PFC unit is either active or passive, which in one case leads to very voluminous heavy inductors and capacitors and in the other case to complex electronics with many power semiconductors.

Die von der Steuereinheit (20) erzeugten, komplexen, sich ständig ändernden Pulsbreiten müssen in der Regel fortwährend aktuell, mit Hilfe von höheren mathematischen Rechenregeln, berechnet werden und erfordern deshalb sehr leistungsstarke kostenintensive Controller.The complex, constantly changing pulse widths generated by the control unit ( 20 ) generally have to be calculated continuously up-to-date with the aid of higher mathematical calculation rules and therefore require very powerful, cost-intensive controllers.

Die Qualität der Ausgangsspannung (31) hängt direkt von der Stabilität der Gleichspannung des Zwischenkreises ab. Je stabiler die Zwischenspannung, desto verzerrungsarmer kann die gewünscht Ausgangsspannung erreicht werden, was in der Regel mit einem Siebkondensator (16) mit sehr hoher Kapazität erreicht wird. Dieser Kondensator muß sehr sorgfältig ausgewählt werden unter anderem in Bezug auf Lebensdauer unter Temperatur und Spannung, Ripple-Strömen unter Last, Überspannungsverträglichkeit, Verhalten bei Havarie sowie Verhalten im Kurzschluß, was gewöhnlich zu kostenintensiven Kondensatorbänken führt.The quality of the output voltage ( 31 ) depends directly on the stability of the DC voltage of the intermediate circuit. The more stable the intermediate voltage, the less distortion the desired output voltage can be achieved, which is usually achieved with a filter capacitor ( 16 ) with a very high capacitance. This capacitor must be selected very carefully with regard to life under temperature and voltage, ripple currents under load, overvoltage compatibility, behavior in the event of an accident and behavior in the event of a short circuit, which usually leads to costly capacitor banks.

Bedingt durch den großen Siebkondensator (16) ist der Gleichrichter (14) in der Regel als gesteuerter Gleichrichter auszuführen. Ansonsten würde es zu einem unzulässig hohen Stoßstrom in der ersten Halbwelle nach dem Einschalten des gesamten Systems kommen. Meist wird der gesteuerte Gleichrichter (14) als phasenangeschnittener Sanftanlauf direkt von der Steuereinheit (20) mit gesteuert.Due to the large filter capacitor ( 16 ), the rectifier ( 14 ) is usually designed as a controlled rectifier. Otherwise there would be an impermissibly high surge current in the first half-wave after the entire system was switched on. Most of the time, the controlled rectifier ( 14 ) is controlled directly by the control unit ( 20 ) as a phase-cut smooth start.

problem

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen einfachen Leistungssteller für Wechselstromverbraucher zu gestalten, der Leistung für Verbraucher, ähnlich dem bekannten frequenzsynchronen Phasensteller, stetig steuern kann und systembedingt, ähnlich dem PFC korrigierten Frequenzumrichter, sinusförmige Ströme aus dem speisenden Netz zieht, wenn möglich, ohne den Einsatz der aufwendigen Teilkomponenten wie Power-Factor-Correction, Mathematikprozessor, Kondensatorbatterie etc.The invention specified in claim 1 is based on the problem, a simple one Power controller for AC consumers to design the power for consumers, similar to that known frequency-synchronous phase adjuster, can control continuously and system-related, similar to the PFC corrected frequency converter, draws sinusoidal currents from the supply system, if possible, without the use of complex sub-components such as power factor correction, math processor, Capacitor battery etc.

solution

Dies wird mit den im Schutzanspruch aufgeführten Merkmalen (Fig. 4 und Fig. 5) wie folgt gelöst:
This is solved with the features listed in the protection claim ( Fig. 4 and Fig. 5) as follows:

- The intermediate circuit ( 44 ) is no longer smoothed by means of a capacitor. As a result, the formerly controlled rectifier can be replaced by a simple rectifier ( 43 ), which no longer needs to be controlled by the control unit ( 48 ). The intermediate circuit voltage is now no longer a smoothed DC voltage, but a pulsating DC voltage, typically only consisting of rectified half-sine waves ( 50 ).
- The control unit ( 48 ) observes ( 51 ) the line voltage ( 40 ) in its signal curve ( 49 ) and recognizes zero crossings and can therefore distinguish between individual half-waves of the supplying network.
- The control unit ( 48 ) controls the H-bridge ( 45 ). It generates a constant frequency with a quasi-constant pulse width ( 60 ), which in turn is far higher than the supplying mains frequency ( 49 ) and also an H-bridge change after every half cycle of the supplying network. Because the DC link voltage is now sinusoidal ( 50 ), a sinusoidal voltage half-wave ( 62 ) occurs due to a constant pulse width, and a full sine after each half-wave due to the H-bridge change.
- The level of the output voltage ( 62 ) is determined directly by the pulse width of the control signal ( 60 ). The pulse width is only changed if a different amplitude of the output voltage is to be achieved. If the pulse width is 0, no output voltage is generated. At the maximum pulse width, which corresponds to a continuous signal, the maximum output voltage is generated. A corresponding output voltage is set for all intermediate values.
- The smoothing inductance ( 46 ) is chosen so that the harmonics of the generated output voltage ( 61 ) are sufficiently small and come as close as possible to the ideal shape of the desired output voltage ( 62 ).
- The clock frequency ( 60 ) of the control unit ( 48 ) is chosen so high that the series inductance ( 46 ) is as small as possible and the switching losses in the H-bridge ( 45 ) are still economically justifiable. The higher the clock frequency ( 60 ) is selected, the smaller the line filter components ( 41 , 42 ) can be dimensioned. In favorable cases, the size of the filter components ( 11 , 12 ) previously used is sufficient, as has always been the case in inverters.

Die erzielten Vorteile bestehen im wesentlichen darin, dass die aufwendigen Siebkondensatoren, der gesteuerte Gleichrichter nebst der Steuerung des gesteuerten Gleichrichters, die Power-Factor-Correction und eine aufwendige mathematikfähige Steuereinheit eingespart werden können sowie darin, daß jetzt automatisch sinusförmige Ströme aus dem speisenden Netz gezogen werden.The advantages achieved essentially consist in the fact that the complex filter capacitors controlled rectifier in addition to the control of the controlled rectifier, the power factor correction and a complex mathematical control unit can be saved and in that now sinusoidal currents are automatically drawn from the supply network.

Weitere Komponenten zur Entstörung oder zum Schutz oder zur Filterung, wie sie standardmäßig in jeder Schaltungsanordnung mit Halbleiterbauelementen eingesetzt werden, sind hier nicht beschrieben und werden als Stand der Technik vorausgesetzt. Dies gilt insbesondere für einen eventuellen kleinen Blockkondensator im Zwischenkreis oder von vier einzelnen kleinen Blockkondensatoren parallel zu jedem Brückenschalter (45), welche lediglich die Aufgabe haben, induzierte Spannungsspitzen, wie sie immer beim Schalten von H-Brücken vorkommen, aufzufangen. Sie haben in der Regel einen kleinen Kapazitätswert und sind nur zur Verblockung der sehr schnellen transienten Induktionsspitzen während der Totzeit der H-Brücke vorgesehen. In keinem Fall kann ein solcher Kondensator mit einer Glättung der Zwischenkreisspannung in Verbindung gebracht werden. Des weiteren ist zweckmäßigerweise in jeder H- Brücke parallel zur Last (47) ein Kondensator angeordnet, welcher zusammen mit der Längsinduktivität (46) für eine bessere Glättung der Ausgangsspannung sorgt, hier ebenfalls nicht beschrieben. Auch nicht erwähnt sind die meist integrierten Freilaufdioden in den H-Brücken-Schaltern (45), welche für die Abmagnetisierung der Längsinduktivität in den Taktpausen verantwortlich sind.Other components for interference suppression or for protection or for filtering, as are used as standard in every circuit arrangement with semiconductor components, are not described here and are assumed to be state of the art. This applies in particular to a possible small block capacitor in the intermediate circuit or of four individual small block capacitors in parallel to each bridge switch ( 45 ), which only have the task of absorbing induced voltage peaks which always occur when switching H-bridges. They usually have a small capacitance value and are only intended to block the very fast transient induction peaks during the dead time of the H-bridge. Under no circumstances can such a capacitor be associated with smoothing the intermediate circuit voltage. Furthermore, a capacitor is expediently arranged in each H-bridge parallel to the load ( 47 ), which together with the series inductor ( 46 ) ensures better smoothing of the output voltage, likewise not described here. Also not mentioned are the mostly integrated free-wheeling diodes in the H-bridge switches ( 45 ), which are responsible for the demagnetization of the series inductance in the clock breaks.

Ein prinzipielles Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden beschrieben:A basic embodiment of the invention is shown in the drawing and is described below described:

Fig. 1 zeigt prinzipiell einen Phasensteller, wie er bis heute überall dort zum Einsatz kommt, wo Verbraucher mit netzsynchronem Wechselstrom betrieben werden, deren Leistung dadurch variabel wird, daß die der Last zugeführte effektive Spannung mittels Phasenanschnitt verändert wird, wie z. B. bei Beleuchtungseinrichtungen, Heizöfen, Wärmestrahler, Staubsauger, etc. Fig. 1 shows in principle a phase adjuster, as it is used today wherever consumers are operated with mains-synchronous alternating current, the performance of which is variable in that the effective voltage supplied to the load is changed by means of a phase control, such as. B. in lighting devices, stoves, radiant heaters, vacuum cleaners, etc.

Fig. 2 zeigt prinzipiell einen Frequenzumrichter, wie er heute überall dort zum Einsatz kommt, wo Verbraucher mit Wechselstrom variabler Frequenz und eventuell variabler Spannung betrieben werden, wie z. B. bei Asyncronmotoren, etc. Fig. 2 shows in principle a frequency converter, as it is used today wherever consumers are operated with alternating current of variable frequency and possibly variable voltage, such as. B. in asynchronous motors, etc.

Fig. 3 Zeigt prinzipiell den Signalverlauf eines Frequenzumrichters nach Fig. 2 mit den innerhalb einer Halbwelle sinusförmig an- und abschwellenden Pulsbreiten (30), der daraus resultierenden restwelligkeitsbehafteten Sinushalbwelle (32) und der, nach allen Entstör- und Filtermaßnahmen, bestmöglichst erziehlbaren reinen Sinus-Ausgangsspannung (31). Fig. 3 shows in principle the signal curve of a frequency converter according to Fig. 2 with the pulse widths ( 30 ) which increase and decrease sinusoidally within a half-wave, the resulting sine half-wave ( 32 ) which is subject to residual ripple and which, after all interference suppression and filtering measures, achieves the best possible pure sine -Output voltage ( 31 ).

Fig. 4 Zeigt einen erfindungsgemäßen Wechselrichter ohne Siebkondensator, ohne Power-Factor- Correction Einheit und mit einfachem Gleichrichter. Fig. 4 shows an inverter according to the invention without a filter capacitor, without a power factor correction unit and with a simple rectifier.

Fig. 5 Zeigt prinzipiell den Signalverlauf eines erfindungsgemäßen Wechselrichter nach Fig. 4 mit den innerhalb einer Halbwelle konstanten Pulsbreiten (60), der daraus resultierenden restwelligkeitsbehafteten Sinushalbwelle (61)und der, nach allen Entstör- und Filtermaßnahmen, bestmöglichst erziehlbaren reinen Ausgangsspannung (62). Fig. 5 shows in principle the waveform of an inverter according to the invention according to Fig. 4 with the constant within a half-wave pulse-width (60), the resulting restwelligkeitsbehafteten sine half wave (61) and, for all interference suppression and filtering measures, the best possible erziehlbaren pure starting voltage (62) .

Claims

1.Circuit arrangement for the variable control of AC consumers, at least consisting of a line filter, a line rectifier, an H-bridge, a series connection between the consumer connected between the H-bridge and a smoothing inductance and a control unit controlling the H-bridge, the clock frequency of which is largely constant is, is much higher than the frequency of the supply network and its pulse width is variable, characterized in that the rectified intermediate circuit voltage remains unscreened and is not smoothed and thus consists only of rectified half-waves of the supply network, which in public networks usually rectified sine Half waves.

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized, that the control unit observes the supply network, therefore knows exactly the zero crossings and can therefore differentiate between the individual half-waves of the supply network.

3. Circuit arrangement according to claim 1 and 2, characterized, that the pulse width of the clock of the control unit remains constant during each period as long as the resulting output voltage should remain the same, but the pulse width will then change changes if a different output voltage is to be reached.