DE102007035954A1

DE102007035954A1 - Verfahren zur Leistungsregelung elektrischer Verbraucher an einem Wechselstromnetz

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Publication number: DE102007035954A1
Application number: DE200710035954
Authority: DE
Original assignee: Royal Appliance International GmbH
Current assignee: Royal Appliance International GmbH
Priority date: 2007-07-30
Filing date: 2007-07-30
Publication date: 2009-02-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungsregelung elektrischer Verbraucher an einem Wechselstromnetz, in welchem die Stromzufuhr zum Verbraucher während eines Bruchteils der Dauer einer Halbwelle des Wechselstroms durch Phasenanschnitt unterbrochen wird, und eine korrespondierende Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Im Wesentlichen zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch aus, dass eine ungerade Anzahl von unterschiedlichen Phasenwinkeln für aufeinander folgende Halbwellen vorliegt. Durch diese Maßnahme lassen sich in überraschender Weise sowohl unerwünschte Oberwellen der Stromaufnahme, speziell die dritte Harmonische, bei ohmschen, induktiven und kombiniert ohmschen und induktiven Verbrauchern von 10 dB bis zu 14 dB dämpfen. Dabei werden gleichzeitig unerwünschte Nebeneffekte wie resonante Vibrationen der elektrischen Verbraucher unterbunden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungsregelung elektrischer Verbraucher an einem Wechselstromnetz, in welchem die Stromzufuhr zum Verbraucher während eines Bruchteils der Dauer einer Halbwelle des Wechselstroms durch Phasenanschnitt unterbrochen wird, und eine korrespondierende Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Zur Leistungsregelung elektrischer Verbraucher an einem Wechselstromnetz sind verschiedene Verfahren bekannt, die Stromaufnahme und damit die Leistung des elektrischen Verbrauchers zu begrenzen. Hierzu ist es möglich, die effektive Spannung durch Leistungswiderstände in Reihe mit dem elektrischen Verbraucher zu begrenzen, wie es zu Beginn der Elektrifizierung von Straßenbahnen durchgeführt wurde. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass ein großer Teil der elektrischen Energie durch unbenutzte Wärme verloren geht und damit unwirtschaftlich ist. In einem weiteren Verfahren nutzt man Stelltransformatoren, in denen die Übertragung des magnetischen Flusses durch eine mechanische Stellungsveränderung von Eisenkern und Spulen variiert wird. Dieses Verfahren ermöglicht sowohl eine Spannungsverringerung wie auch eine Spannungserhöhung. Jedoch ist man bei Verwendung von Stelltransformatoren auf voluminöse und schwere Transformatoranordnungen angewiesen. Seit Einführung von elektrischen Leistungshalbleitern ist man daher dazu übergegangen, den dem Verbraucher zur Verfügung stehenden elektrischen Strom nicht durch Einführung eines zusätzlichen elektrischen Widerstandes zu verringern, sondern den Strom mit hoher Geschwindigkeit, also mit hoher Flankensteilheit, ein- und wieder auszuschalten. Da bei diesem Verfahren keine elektrische Leistung in der Regelungsanordnung umgesetzt wird, ist es möglich, mit sehr kleinen Halbleitern eine effektive Leistungsregelung aufzubauen, die in Lichtschaltern oder im sehr eng zur Verfügung stehenden Raum eines Haushaltgerätes unterbringbar sind, wobei die Regelungsanordnung selbst nur sehr wenig Wärme produziert und daher keiner oder nur sehr geringer Kühlung bedarf. Der kleine Aufbau und die geringe Wärmeentwicklung macht diese Art der Leistungsregelung attraktiv für die meisten Anwendungsgebiete.
Jedoch ist das zuletzt beschriebene Leistungsregelungsverfahren mit einem erheblichen Nachteil behaftet, wenn elektrische Verbraucher mit bestimmten Eigenschaften durch dieses Verfahren in ihrer Leistungsaufnahme begrenzt werden. Rein ohmsche Verbraucher, wie beispielsweise Glühlampen, sind vergleichsweise unempfindlich gegenüber dem plötzlichen Ein- und wieder Abschalten des elektrischen Stromes. Andere Verbraucher, wie beispielsweise durch Transformatoren oder elektronisch geregelte Niedervoltglühlampen, weisen eine hohe Empfindlichkeit gegenüber diesem Regelungsverfahren auf, weil die plötzlichen Spannungsänderungen zur Induktion von hohen Spannungsspitzen innerhalb der Verbraucher führen können, welche die Funktionalität des Verbrauchers stark beeinträchtigen oder sogar zerstören können. Wiederum andere Verbraucher, wie beispielsweise Universalmoto ren in Staubsaugern oder in Bohrmaschinen, haben sowohl ohmsche wie auch induktive Eigenschaften des elektrischen Widerstandes und weisen weitere Empfindlichkeiten gegenüber plötzlichen Stromwechseln auf, wie beispielsweise einen durch das Leistungsregelungsverfahren verursachten unrunden Lauf, der sich als Stottern oder als unharmonische Vibrationen bemerkbar macht.
Aber nicht nur die Verbraucher selbst können durch das plötzliche Ein- und wieder Ausschalten beeinträchtigt werden, sondern auch fremde, dritte Verbraucher können durch das schnelle Schalten des Stromes eine ungewollte Beeinträchtigung erfahren.
Der durch den geregelten Verbraucher aufgenommene Strom variiert – je nach Verbrauchertyp ohmsch oder induktiv oder auch kombiniert ohmsch und induktiv – entweder quadratisch mit der am Verbraucher anliegenden elektrischen Spannung oder mit der Anstiegsgeschwindigkeit der anliegenden Spannung, wie im Falle der rein induktiven Verbraucher. Wird ein elektrischer Verbraucher mit einer hohen elektrischen Leistungsaufnahme durch das elektronische Verfahren durch plötzliches Ein- und wieder Ausschalten geregelt, so fließt durch die elektrischen Versorgungsleitungen ein Wechselstrom mit einer für dritte am selben Wechselstromnetz anliegende Verbraucher ungünstigen Charakteristik. Daher wurde bisher die oben beschriebene elektronische Leistungsregelung von elektrischen Verbrauchern auf solche Verbraucher beschränkt, die maximal 1 kW elektrische Leistung umsetzen.
Durch das plötzliche Ein- und wieder Ausschalten, dem so genannten Phasenanschnitt, entstehen im Versorgungsnetz starke Ströme mit der mehrfachen Frequenz des eigentlichen Wechselstromes. Diese hochfrequenten Stromanteile lassen sich durch eine Fourier-Transformation der Stromaufnahme des geregelten elektrischen Verbrauchers erklären. Die hier genannte Fourier-Transformation erlaubt die Darstellung einer beliebigen periodischen Funktion durch eine Summe aus vielen Sinus/Cosinus-Funktionen höherer Frequenz. Da viele Verbraucher eine Resonanz der elektrischen Stromaufnahme zeigen, die durch eine Sinus/Cosinus-Schwingung charakterisierbar ist, sind die aus der Fourier-Transformation erhaltenen Frequenzanteile für den betroffenen in Resonanz stehenden Verbraucher tatsächlich und real bemerkbar. Dies bedeutet also, ein dritter Verbraucher am selben Wechselstromnetz wie der geregelte Verbraucher kann in Resonanz mit den Fourier-Anteilen stehen und dadurch in seiner Funktion beeinträchtigt oder gar zerstört werden. Die Art der Beeinträchtigung ist sehr vielseitig und daher nahezu unvorhersagbar.
Aus diesem Grunde wurde in Normen und in Richtlinien für die elektromagnetische Verträglichkeit festgelegt, wie hoch die einzelnen durch einen elektrischen Verbraucher im Wechselstromnetz erzeugten Frequenz-Anteile nach Fourier-Transformation sein dürfen. Diese Frequenzanteile werden "Harmonische" genannt und nach einer festgelegten Regel bestimmt. Der Fachmann wird hierzu auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen. Die europäische Norm EN 61000-3-2 bestimmt für verschiedene Leistungsklassen elektrischer Verbraucher unterschiedlich hohe Grenzwerte für die unterschiedlichen Harmonischen. Diese Grenzwerte limitieren auch die Leistungsklassen unterschiedlicher Verbraucher, wenn die Leistungsregelungsverfahren aus dem Stand der Technik in diesen elektrischen Verbrauchern angewandt werden.
Um die Stromstärke der Harmonischen bei höheren Leistungen zu reduzieren, wird in der deutschen Patentschrift DE 197 05 907 C2 vorgeschlagen, dass zur Reduzierung des Oberwellengehalts der das Ausmaß des Phasenanschnitts bestimmende Zündwinkel bei aufeinander folgenden Vollwellen um einen vorgegebenen Wert variiert wird.
In der europäischen Patentschrift EP 0 788 678 B1 wird zur Reduzierung des Oberwellengehalts vorgeschlagen, in aufeinander folgenden Vollwellenpake ten den Zündwinkel der eingesetzten Halbleiter zu variieren, wobei dieses Prinzip eine Verallgemeinerung des in der DE 197 05 907 C2 beschriebenen Verfahrens darstellt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein neues Verfahren und eine Anordnung zur Leistungsregelung elektrischer Verbraucher zur Verfügung zu stellen, welche zu geringeren Harmonischen der Stromaufnahme führen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch die Verfahrensmerkmale des Verfahrensanspruches eins. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden durch die Unteransprüche zum Verfahrensanspruch wiedergegeben.
Korrespondierend zum erfindungsgemäßen Verfahren wird die Aufgabe gelöst durch die Anordnung zur Leistungsregelung elektrischer Verbraucher nach Sachanspruch 14 nebst den Merkmalen der Unteransprüche zu diesem Sachanspruch.
Erfindungsgemäß wird zur Reduzierung des Oberwellengehalts der Phasenwinkel des Phasenanschnitts in aufeinander folgenden Halbwellen variiert. Besonders am erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass die Anzahl der aufeinander folgenden Halbwellen mit unterschiedlichen Phasenwinkeln für den Phasenanschnitt ungerade ist. Dies führt nämlich dazu, dass ein erster Phasenanschnitt und ein darauf folgender zweiter Phasenanschnitt in einem ersten Regelzyklus, dem ein zweiter Regelzyklus folgt, mit invertierter Polarität wiederholt wird. Wird beispielsweise ein erster Phasenwinkel α₁ für den ersten Phasenanschnitt der ersten positiven Halbwelle gewählt, dem ein zweiter Phasenwinkel α₂ für den Phasenanschnitt der zweiten negativen Halbwelle folgt, der wiederum von einem dritten Phasenwinkel α₃ für die folgende dritte, positive Halbwelle gefolgt wird, so wiederholt sich darauf dieser Regelzyklus, wobei die Halbwellen mit den Phasenwinkel α₁ bis α₃ eine invertierte Polari tät aufweisen. Denn der dritten positiven Halbwelle des ersten Regelzyklus folgt nämlich eine negative vierte Halbwelle des nächsten Regelzyklus, die beginnend mit dem Phasenwinkel α₁ angeschnitten wird. Somit wiederholt sich ein Regelzyklus in seiner Gesamtheit nach zweimaligem Durchlauf eines einzigen erfindungsgemäßen Regelzyklus.
Die Anzahl der aufeinander folgenden Phasenwinkel ist in diesem Beispiel auf drei begrenzt worden. Genauso ist es auch möglich, 5, 7, 9 oder noch mehr aufeinander folgende Winkel zur Leistungsregelung zu verwenden. Je größer die Anzahl der aufeinander folgenden verschiedenen Winkel ist, desto geringer ist der Unterschied zwischen den verschiedenen Phasenwinkeln. Erst bei einer unendlichen Anzahl aufeinander folgender Winkel beträgt der Unterschied der Phasenwinkel null, wobei in diesem Fall das bekannte Phasenanschnittsverfahren mit nur einem Phasenwinkel angewandt wird. Je größer die Anzahl der gewählten unterschiedlichen Phasenwinkel ist, desto höhere Anforderungen müssen an den Referenzpunkt zur Bestimmung des Phasenwinkels gestellt werden, damit die Bedingung der Ungleichheit der einzelnen Phasenwinkel erfüllt werden kann.
In einem tatsächlichen System zur Leistungsregelung wird als Bezugspunkt meist der Nulldurchgang der Spannung im Wechselstromnetz herangezogen. Sofern die Frequenz des Wechselstromnetzes genügend stabil ist, kann der Phasenwinkel durch ein Zeitglied bestimmt werden, wobei die durch das Zeitglied bestimmte Zeit nach dem Nulldurchgang einem vorher gewählten Phasenwinkel entspricht.
Überraschender Weise hat sich gezeigt, dass mit Hilfe dieses Verfahrens der Oberwellenanteil gegenüber einem gleich bleibenden Phasenanschnitt um 10 dB bis hin zu 14 dB reduziert werden kann. Obwohl der theoretische Oberwellengehalt aus der Fourier-Transformation einer angeschnittenen Halbwellenfolge entnommen werden kann, ist der tatsächliche Oberwellen gehalt von elektrischen Geräten nicht verlässlich mit dieser theoretischen Überlegung vorhersagbar. Zu viele Faktoren, wie mechanische Resonanz, nicht lineares Verhalten der eingesetzten Komponenten, wie Induktivitäten, Wicklungen, faktisch als RC-, LC, oder RLC-Glieder wirkende Kreise in den Verbrauchern, wirken auf die tatsächlich beobachtbaren Oberwellen, so dass eine Oberwellenreduktion durch ein eingesetztes Leistungsregelungsverfahren nur experimentell bestimmt werden kann.
Ein zweiter Parameter, der bei der erfindungsgemäßen Oberwellenreduktion bei Leistungsregelung in Betracht gezogen werden muss, ist das mechanische Ansprechverhalten der elektrischen Verbraucher. Bei Glühlampen kann dies eine mechanische Vibration des Glühfadens sein, bei Gasentladungslampen kann dies eine Vibration der Gasmenge in den Gasröhren sein, bei Motoren kann dies ein stotternder oder unruhiger Lauf sein, der sich durch Vibrationen bemerkbar macht. Auch diese unangenehmen Begleiteffekte werden durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Leistungsregelung vermieden. Vermutlicherweise ist dies darauf zurückzuführen, dass jeweils ein Phasenanschnitt mit einem bestimmten Phasenwinkel einmal in einer positiven und einmal in einer negativen Halbwelle vorgenommen wird. Dadurch löschen sich vermutlicher Weise die oben genannten, unerwünschten Effekte durch den wechselseitigen Phasenanschnitt in positiver und in negativer Halbwelle aus.
In bevorzugter Weise vergrößert sich der Phasenwinkel in aufeinander folgenden Halbwellen eines Regelzyklus. Beispielsweise beträgt der Phasenwinkel beim Phasenanschnitt der ersten positiven Halbwelle α₁, der kleiner ist als der Phasenwinkel α₂ des Phasenanschnitts der zweiten negativen Halbwelle. Dieser Phasenwinkel α₂ ist wiederum kleiner als der dritte Phasenwinkel α₃ der dritten positiven Halbwelle. Durch dieses stetige Anwachsen des Phasenanschnitts kann der Oberwellengehalt reduziert werden, gleichzeitig unterbleiben auch die unerwünschten mechanischen Effekte unterbleiben bei diesem Verfahren.
Es ist möglich, die Winkel für die aufeinander folgenden Phasenanschnitte experimentell zu bestimmen. Da jedoch mindestens drei Phasenwinkel für eine Leistungsstufe bestimmt werden müssen, ist die Anzahl der experimentell zu variierenden Phasenwinkel über das Leistungsspektrum von 0% bis 100% recht groß. Es hat sich daher als vorteilhaft erwiesen, wenn die einzelnen Phasenwinkel durch eine stetige und stetig differenzierbare mathematische Funktion ermittelt werden. Diese mathematische Funktion bildet die einzustellenden Phasenwinkel auf dem jeweils gewünschten Leistungsniveau ab. Eine stetige und stetig differenzierbare mathematische Funktion gibt somit jeweils einen Phasenwinkelwert pro gewünschtem Leistungsniveau wieder. Für drei und mehr Phasenwinkel werden entsprechend drei und mehr Funktionen zur Bestimmung des Phasenwinkels gewählt.
Es ist aber nicht notwendig, dass die mathematische Funktion über dem gesamten Bereich von 0% bis 100% Leistung stetig und stetig differenzierbar ist. Es genügt, wenn diese Funktionen nur in Teilen des gesamten Leistungsspektrums von 0% bis 100% Leistung diese Eigenschaften aufweisen. In diesem Fall werden die einzelnen Phasenwinkel in Intervallen bestimmt. Diese intervallartige Bestimmung des Phasenwinkels hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Leistungsspektrum des elektrischen Verbrauchers in besonders fein abgestimmten Bereichen geregelt werden soll.
In einer konkreten Anwendung ist es möglich, dass der elektrische Verbraucher in den Leistungsbereichen von 0% bis beispielsweise 15% und im Leistungsbereich von beispielsweise 85% bis 100% klassisch nach einem Phasenanschnittsverfahren geregelt wird, in dem nur ein einziger Phasenwinkel für alle Halbwellen gewählt wird und in dem Bereich zwischen diesen Leistungsintervallen wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Leistungsrege lung angewandt. Dabei bestimmt die Feinabstufung der Leistungsregelung wie im Übergangsbereich vom Leistungsregelungsverfahren mit nur einem Phasenwinkel zum Leistungsregelungsbereich mit mindestens drei Phasenwinkeln die Leistung eingestellt wird. Es ist deshalb möglich und vorteilhaft, das erfindungsgemäße Verfahren nur in Leistungsintervallen anzuwenden, weil nur dort die Probleme besonders großer Oberwellenanteile und gelegentlich auch die unerwünschten, mechanischen Begleiterscheinungen auftreten.
In dem oben beschriebenen Fall von verschiedenen Leistungsintervallen werden die verschiedenen, aufeinander folgenden Phasenwinkel innerhalb eines Regelzyklus für eine Leistungsstufe durch die Aneinanderreihung verschiedener Funktionen über das gesamte Leistungsintervall von 0% bis 100% für die Auswahl der verschiedenen Phasenwinkel innerhalb des Leistungsintervalls bestimmt.
Um eine noch größere Dämpfung der Oberwellenanteile zu erreichen, ist es möglich, die verschiedenen Phasenwinkel einer Leistungsstufe von einem Regelzyklus zum nächsten Regelzyklus zyklisch oder zufällig zu variieren. Bei der zyklischen Variation werden die Winkel vorhersagbar und wiederkehrend verändert, während bei der zufälligen Variation den einzelnen Phasenwinkeln zufällige negative oder positive Beträge zu addiert werden. Bei beiden Variationen ist es jedoch von Vorteil, wenn die Art der Variation so gewählt wird, dass – je nach Variationsart – der Modus, der Durchschnitt oder der Median des ursprünglich variierten Winkels die Bedingung für die nicht variierten Winkel erfüllt. Durch diese Nebenbedingung kann die Variation des Winkels in so hohem Maße durchgeführt werden, dass das gewählte und zu Grunde liegende Verfahren augenscheinlich zunächst durch die Zufallsvariation dominiert zu sein scheint. In diesem Fall ist eine statistische Analyse der Phasenwinkel durchzuführen und auf die oben genannten Werte Modus, Median oder Durchschnitt abzustellen. Im Fall einer gaußschen Variation des Phasenwinkels fallen Modus, Median und Durchschnitt zusammen. Bei anderen Variationen des Phasenwinkels ist auf den entsprechend charakterisierenden Wert abzustellen, denn die Wahl der Zufallsvariation, wie algorithmische Pseudozufälligkeit, bewusst unsaubere Nulldurchgangserkennung und andere Methoden zur Ermittlung von Zufallsgrößen, haben zum Teil stark unterschiedliche Charakteristika.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird der Wert eines Phasenwinkels bei einer Leistungsstufe innerhalb eines Leistungsintervalls durch eine Funktion ermittelt, die eine lineare Kombination einer Geradengleichung mit einer trigonometrischen Funktion ist. Im einfachsten Fall wird der Winkel innerhalb eines Leistungsintervalls durch eine Funktion bestimmt, in welcher am Beginn des Leistungsintervalls der Anteil der trigonometrischen Funktion null beträgt und der Anteil der Geradengleichung von null verschieden ist. Ebenso beträgt der trigonometrische Anteil null am Ende des gewählten Leistungsintervalls, und der Anteil der Geradengleichung ist von null verschieden. Innerhalb des Leistungsintervalls kann die trigonometrische Funktion eine halbe, ein mehrfaches von einhalb, insbesondere eine oder zwei Perioden durchlaufen. Hierdurch wird eine wellige Funktion zur Ermittlung des Phasenwinkels erhalten. Im Falle der Kombination einer Geradengleichung mit einer Sinusfunktion, die im Leistungsintervall eine Periode von 2π durchläuft, wird eine Funktion erhalten, in welcher der Phasenwinkel zunächst steiler ansteigt oder abfällt dann einen Wendepunkt durchläuft und sich wieder der Geradengleichung nähert. Die Kombination von Geradengleichung und trigonometrischer Funktion führt zu einem nicht gleichmäßigen Ansteigen der verschiedenen Phasenwinkel, so dass die relativen oder absoluten Unterschiede zwischen den verschiedenen Phasenwinkeln innerhalb des Leistungsintervalls variiert werden. Damit wird ein gleichmäßiges Anwachsen des Oberwellenanteils bei Steigerung der Leistung des Verbrauchers vermieden.
Diese Art der Phasenwinkelwahl hat sich besonders bei einer abrupten oder schnellen Änderung von Leistungsstufen als vorteilhaft erwiesen. Eine schnelle Leistungsregelung kann dann vorkommen, wenn eine elektronische Leistungsanpassung mit hoher Feinabstimmung, also kleine Abstände der Leistungsstufen, vorliegt und die Geschwindigkeit der Leistungsanpassung nicht oder nur gering gedämpft ist.
Für die oben beschriebene Art der Leistungsregelung hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn nicht nur eine Geradengleichung und eine Sinusfunktion miteinander kombiniert werden, sondern allgemeiner auch eine Potenz- und/oder eine Polynomialfunktion 0-ter bis n-ter Ordnung in Kombination mit einer Sinusfunktion und/oder einer Cosinusfunktion und/oder einer Arcustangensfunktion. Bei Wahl von Sinus und/oder Cosinus kann im Leistungsintervall eins bis n Halbwellen durchlaufen werden. Daneben hat sich auch als vorteilhaft erwiesen, wenn eine Logarithmusfunktion und/oder eine Hyperbelfunktion innerhalb eines Leistungsintervalls in Kombination mit den oben genannten Funktionen verwendet wird.
In besonderer Ausgestaltung der Erfindung wird neben den Phasenwinkeln außerdem das Verfahren zum Phasenanschnitt selbst variiert. Üblich und aus dem Stand der Technik bekannt ist es, die Unterbrechung der Stromzufuhr bei Nulldurchgang der Spannung des Wechselstromnetzes zu beginnen und bis zu einem durch den Phasenwinkel bestimmten Zeitpunkt nach Nulldurchgang beizubehalten. Durch dieses Verfahren wurde in der Vergangenheit, insbesondere bei der Wahl nur eines einzigen Phasenwinkels für alle Halbwellen ein zu großer Oberwellenanteil vermieden. Des Weiteren ist dies die einzige Art, bekannte Thyristoren oder Triacs als Leistungshalbleiter zu betreiben. Solange ein Thyristor oder ein Triac stromdurchflossen ist, bleibt er im leitfähigen Zustand. Daher spricht man vom "zünden" des Thyristors oder des Triacs.
Gegensätzlich dazu ist es auch möglich, mit anderen Halbleitern, beispielsweise mit hoch leistungsfähigen Feldeffekttransistoren, die Stromunterbrechung erst eine bestimmte Zeit nach dem Nulldurchgang zu unterbrechen und bis zum nächsten Nulldurchgang der Spannung des Wechselstromnetzes beizubehalten.
In besonderer Weise lassen sich durch die Wahl des einen oder des anderen Phasenanschnittsverfahrens die Oberwellen bei der Leistungsregelung weiter dämpfen. Wird neben dem Betrag des Phasenwinkels auch noch das Phasenregelungsverfahren zwischen zeitlich benachbarten Halbwellen alterniert, so ist es möglich, nur auf beliebige Teile einer Halbwelle des Wechselstromes zuzugreifen, wobei der Nulldurchgang der Spannung des Wechselstroms regelrecht ausgeblendet wird. Hierdurch ist eine weitere Dämpfung erreichbar, wobei dieses Verfahren jedoch andere Leistungshalbleiter als die üblicherweise eingesetzten Thyristoren oder Triacs zur Leistungsregelung notwendig macht.
Zur Durchführung des Verfahrens wird erfindungsgemäß eine Anordnung aus einem A/D-Wandler, einem Zeitgeber, einem Mikrocontroller und einem Halbleiter eingesetzt, in welcher der Mikrocontroller mit Hilfe des A/D-Wandlers beispielsweise den Nulldurchgang der Spannung des Wechselstromnetzes erfasst und mit Hilfe des Zeitgebers, beispielsweise einem Quarzoszillator, die Zeit von Nulldurchgang bis zum gewählten Zeitpunkt als Phasenwinkel bestimmt und dann mit Hilfe des Halbleiters den Strom zum Verbraucher ein- bzw. abschaltet. Dabei ist es vom in der Anordnung gewählten Halbleiter abhängig, ob dieser "gezündet", also in den leitfähigen Zustand versetzt wird, oder ob dieser ein- und wieder ausgeschaltet wird.
Die Anordnung kann dabei die Zeitparameter für die einzelnen Phasenwinkel aus einem nicht flüchtigen Speicher lesen und entsprechend den eingesetzten Halbleiter steuern. Die Werte für die einzelnen Phasenwinkel wurden in diesem Fall einmal nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt und in einer Tabelle hinterlegt. Alternativ oder kumulativ dazu ist es auch möglich, die Zeitparameter jeweils durch einen in einem Mikrocontroller implementierten Algorithmus neu zu berechnen. Auch können der Zeitparameter durch einen Analogrechner jeweils von neuem berechnet werden.
In besonderer Ausgestaltung der Erfindung kann der Mikrocontroller auch die Zeit zwischen verschiedenen aufeinander folgenden Nulldurchgängen der Spannung des Wechselstromes messen und daraus die Frequenz des Wechselstromes bestimmen und die Zeit zur Bestimmung des Phasenwinkels an die jeweilige Frequenz anpassen. Dies ist besonders vorteilhaft für solche Anordnungen, die in verschiedenen Umgebungen arbeiten sollen, wie beispielsweise in einem 60 Hz oder einem 50 Hz-Wechselstromnetz.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 Einen erfindungsgemäßen Phasenanschnitt zweier aufeinander folgender Regelzyklen
2 Den Verlauf dreier Phasenwinkel α₁, α₂, und α₃ über das Leistungsintervall von 0% bis 100%
3 Eine detaillierte Darstellung des Verlaufs von α₁ über das kombinierte Intervall des effektiven Widerstands von 0% bis 100%
4 Eine detaillierte Darstellung des Verlaufs von α₂ über das kombinierte Intervall des effektiven Widerstands von 0% bis 100%
5 Eine detaillierte Darstellung des Verlaufs von α₃ über das kombinierte Intervall des effektiven Widerstands von 0% bis 100%
In 1 ist der erfindungsgemäße Phasenanschnitt für die beispielhafte Wahl von drei Phasenwinkeln α₁, α₂, und α₃ dargestellt. In dem Diagramm ist der Verlauf der Wechselspannung U am zu regelnden Verbraucher über die Zeit dargestellt, wobei schraffierte Flächen unter der Spannungs-Zeit-Kurve für am Verbraucher anliegende Spannung U stehen und gestrichelte Linien die nicht vom Wechselstromnetz zum Verbraucher geleitete Wechselspannungsintervalle darstellen. Beginnend beim Nulldurchgang 0D₀ der Wechselspannung U beginnt ein zunächst spannungsloses Zeitintervall am Verbraucher, welches von 0D₀ bis α₁ dauert. Beim Phasenwinkel α₁, hier etwa 60° in Bezug auf den letzten Nulldurchgang 0D₀, wird der Verbraucher mit der zunächst positiven Wechselspannung U der ersten Halbwelle HW verbunden und bleibt unter Spannung bis zum nächsten Nulldurchgang 0D₁. 0D₁ folgend beginnt ein zweites spannungsloses Intervall am Verbraucher, welches bis zum Phasenwinkel α₂, etwa 70° in Bezug auf den letzten Nulldurchgang 0D₁, dauert. Zu diesem Zeitpunkt, α₂ gleich 70°, wird der Verbraucher mit der jetzt negativen Wechselspannung U der zweiten Halbwelle HW verbunden und bleibt unter negativer elektrischer Spannung bis zum Zeitpunkt des folgenden Nulldurchgangs 0D₂. An 0D₂ beginnt ein erneuter spannungsloser Zustand am Verbraucher und bleibt im spannungslosen Zustand, bis der Phasenwinkel α₃ erreicht ist, der etwa 150° in Bezug auf den letzten Nulldurchgang 0D₂ beträgt. In der verbleibenden Zeit bis zum Ende der dritten positiven Halbwelle HW der Wechselspannung U an 0D₃ wird der zu regelnde Verbraucher erneut unter positive Spannung gesetzt. Am Übergang von der dritten zur vierten Halbwelle wiederholt sich der oben beschriebene Regelzyklus mit invertierter Polarität, wobei nun vom Nulldurchgang 0D₃ der Wechselspannung U bis zum Phasenwinkel α₁ der Verbraucher zunächst wieder spannungslos ist und bei Erreichen des Phasenwinkels α₁ mit der negativen, vierten Halbwelle HW der Wechselspannung U verbunden wird. Hierauf folgend setzt sich der oben beschriebene Zyklus fort, wobei jedoch die elektrischen Spannungen in den Bereichen zwischen den erreichten Phasenwinkeln und Nulldurchgängen in ihrer Polarität unterscheiden. Nach Ende der sechsten Halbwelle wiederholt sich dieser gesamte Zyklus, wobei vorliegend und beispielhaft drei Phasenwinkel als einfachster Fall gewählt wurden. Der hier dargestellte Verlauf der Spannung am Verbraucher zeigt die zeitliche Abfolge der am Verbraucher anliegenden Spannung für eine einzige Leistungsstufe. Die einzelnen Winkel α₁, α₂, α₃ bleiben für diese Leistungsstufe konstant und werden nacheinander alterniert.
In 2 ist der Verlauf für drei Phasenwinkel α₁, α₂, α₃ über das gesamte Leistungsintervall von 0% bis 100% in fünf kleineren Intervallen dargestellt. Dabei ist auf der Abzisse der effektive Widerstand R und auf der Ordinate der Phasenwinkel α dargestellt. Bei einem effektiven Widerstand von 100% ist die Leistung 0%, und umgekehrt ist bei einem effektiven Widerstand von 0% die Leistung 100%. Die tatsächlichen Werte für die drei Phasenwinkel α₁, α₂, α₃ sind hier zunächst von geringerer Bedeutung, da hier gezeigt werden soll, wie sich die drei Phasenwinkel im gesamten Widerstandsbereich von 0% bis 100% relativ zueinander verhalten sollen. In einem ersten Intervall des effektiven Widerstands von 0% bis etwa 15%, der sich von R₀ ^αn bis R₁ ^αn erstreckt, verlaufen alle Phasenwinkel gleich und werden stetig größer mit demselben Betrag. Innerhalb dieses Leistungsintervalls wird die Leistung nach dem Stand der Technik durch einen einzigen Phasenanschnittswinkel für alle Halbwellen geregelt. Erst im zweiten Intervall des effektiven Widerstands, das sich von R₁ ^αn bis R₂ ^αn erstreckt und den Widerstandsbereich von etwa 15% bis etwa 20% abdeckt, variieren nur noch zwei Phasenwinkel mit dem selben Betrag, hingegen nimmt einer der Phasenwinkel überproportional zu und ist von den ersten beiden Winkeln verschieden. Bei erreichen des dritten Intervalls, das sich von R₂ ^αn bis R₃ ^αn erstreckt (Widerstandsbereich ca. 20% bis ca. 30%), wird eine erfindungsgemäße Leistungsregelung vorgenommen. Hier wächst ein erster Phasenwinkel α₁ nur noch geringfügig mit Zunahme des effektiven Widerstands an, hingegen wächst ein zweiter Pha senwinkel α₂ zunächst überproportional mit dem effektiven Widerstand an und der dritte Phasenwinkel α₃ vernimmt einen Verlauf mit noch höheren Werten. Innerhalb des Intervalls des effektiven Widerstands von R₃ ^αn bis R₄ ^αn wachsen die drei Phasenwinkel α₁, α₂, α₃ mit unterschiedlicher Geschwindigkeit und nähern sich bei R₄ ^αn wieder einander an, um darauf folgend in dem Intervall des effektiven Widerstandes von R₄ ^αn bis R₅ ^αn (bis 100% effektiver Widerstand oder 0% Leistung) wieder nach dem Stand der Technik im Einklang miteinander zu variieren.
In 3 ist ein detaillierter Verlauf eines ersten Phasenwinkels α₁ mit dem effektiven Widerstand der Leistungsregelung dargestellt. Bis etwa 15% effektiver Widerstand nimmt der Phasenwinkel zunächst linear zu. An diesem Punkt knickt die Zunahme mit einem negativen Gradient ab, der Phasenwinkel nimmt also mit zunehmendem Widerstand ab, wobei erst die Gesamtheit aller aufeinander folgender Phasenwinkel zu einer Erhöhung des effektiven Widerstands führt. In einem dritten Intervall des effektiven Widerstands von ca. 20% bis etwa 30% (R₂ ^α1 bis R₃ ^α1) bleibt der Winkel konstant. Es ist möglich, dass in dem darauf folgenden Intervall des effektiven Widerstandes von R₃ ^α1 bis R₄ ^α1 der Phasenwinkel sprunghaft abnimmt oder wahlweise sich der zunächst konstante Phasenwinkel aus dem Intervall zuvor an den Wert dieses Intervallbeginns annähert. Innerhalb des Intervalls von R₃ ^α1 bis R₄ ^α1 nimmt dann der Phasenwinkel α₁ stetig zu, wobei der Verlauf der Zunahme charakterisiert ist durch eine Geradengleichung, der eine Sinusfunktion mit zwei Halbwellen aufaddiert wird. Ebenso kann der Winkel α₁ mit einer Potenzfunktion und einer darauf addierten Sinusfunktion zunehmen. Nach diesem Intervall von R₄ ^α1 bis R₅ ^α1 kann der Phasenwinkel entweder sprunghaft ansteigen und sich linear mit steigendem effektivem Widerstand vergrößern oder asymptotisch an eine Geradengleichung annähern, wobei in diesem Fall kein sprunghafter Anstieg des Phasenwinkels α₁ vorgenommen wird.
In 4 ist die Phasenwinkelverteilung eines zweiten Phasenwinkels α₂ dargestellt, die 4 kleinere Intervalle umfasst, in denen der Phasenwinkel nach unterschiedlichen Funktionen variiert wird. Im Besonderen wird der Phasenwinkel α₂ im Intervall des effektiven Widerstandes von R₃ ^α2 bis R₄ ^α2 durch eine Überlagerung von 3 Sinushalbwellen mit einer Potenzfunktion n-ter Ordnung mit Zunahme des effektiven Widerstandes angehoben. Dadurch unterscheidet sich die Zunahme des Phasenwinkels α₂ von der Zunahme des Phasenwinkels α₁ mit den oben in der Beschreibung verbundenen Vorteilen.
Bis auf den tatsächlichen Verlauf des Phasenwinkels α₃ mit zunehmenden effektiven Widerstand ist 5 vergleichbar mit den 3 und 4.
Im Wesentlichen zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch aus, dass eine ungerade Anzahl von unterschiedlichen Phasenwinkeln für aufeinander folgende Halbwellen vorliegt. Durch diese Maßnahme lassen sich in überraschender Weise sowohl unerwünschte Oberwellen der Stromaufnahme, speziell die dritte Harmonische, bei ohmschen, induktiven und kombiniert ohmschen und induktiven Verbrauchern von 10 dB bis zu 14 dB dämpfen. Dabei werden gleichzeitig unerwünschte Nebeneffekte wie resonante Vibrationen der elektrischen Verbraucher unterbunden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19705907 C2 [0008, 0009]
- EP 0788678 B1 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- EN 61000-3-2 [0007]

Claims

Verfahren zur Leistungsregelung elektrischer Verbraucher an einem Wechselstromnetz in welchem die Stromzufuhr zum Verbraucher während eines Bruchteils der Dauer einer Halbwelle des Wechselstroms durch Phasenanschnitt unterbrochen wird, gekennzeichnet durch die Wahl von unterschiedlich gewählten Phasenwinkeln des Phasenanschnitts aufeinander folgender Halbwellen, wobei die endliche Anzahl der aufeinander folgenden Phasenwinkel ungerade und größer als eins ist.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Abfolge von größer werdenden Phasenwinkeln innerhalb eines Regelzyklus.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Auswahl der verschiedenen Phasenwinkel innerhalb eines Leistungsintervalls durch eine stetige mathematische Funktion.
Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Aneinanderreihung verschiedener Funktionen über das gesamten Leistungsintervall von 0% bis 100% für die Auswahl der verschiedenen Phasenwinkel innerhalb eines Regelzyklus.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 gekennzeichnet durch die zyklische oder zufällige Variation der Phasenwinkel von einem Regelzyklus zum nächsten Regelzyklus.
Verfahren nach Anspruch 5 gekennzeichnet durch die Wahl des Variationsverfahrens, in welchem der Modus, der Median und/oder der Durchschnitt der Gesamtheit der variierten Phasenwinkel dem nicht variierten Phasenwinkel entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 gekennzeichnet durch die Kombination mit bekannten Regelungsverfahren innerhalb des Leistungsintervalls von 0% bis 100%.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 gekennzeichnet durch die Wahl mindestens eines Phasenwinkels nach einer mathematischen Funktion, welche den Phasenwinkel in Abhängigkeit von einer gewählten Leistung wiedergibt, wobei die Funktion eine Überlagerung einer Potenz- und/oder eine Polynomialfunktion nullter bis n-ter Ordnung mit einer trigonometrischen Funktion, beispielsweise einer Sinus-, Cosinus und/oder Arcustangensfunktion ist, wobei im Falle der Sinus- und/oder Cosinusfunktion innerhalb des Leistungsintervalls eins bis n Halbwellen durchlaufen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 gekennzeichnet durch die Wahl mindestens eines Phasenwinkels nach einer mathematischen Funktion, welche den Phasenwinkel in Abhängigkeit von einer vorgewählten Leistung wiedergibt, wobei die mathematische Funktion eine Überlagerung einer Potenz- und/oder eine Polynomialfunktion nullter bis n-ter Ordnung mit einer Logarithmusfunktion ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 gekennzeichnet durch die Wahl mindestens eines Phasenwinkels nach einer mathematischen Funktion, welche den Phasenwinkel in Abhängigkeit von einer gewählten Leistung wiedergibt, wobei die mathematische Funktion eine Überlagerung einer Potenz- und/oder eine Polynomialfunktion nullter bis n-ter Ordnung mit einer Hyperbelfunktion ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch ein Phasenanschnittsverfahren, in welchem die Unterbrechung der Stromzufuhr bei Nulldurchgang der Spannung des Wechselstromnetzwerkes beginnt und bis zu einem durch den Phasenwinkel bestimmten Zeitpunkt nach Nulldurchgang beibehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch ein Phasenanschnittsverfahren, in welchem die Unterbrechung der Stromzufuhr bei einem durch den Phasenwinkel bestimmten Zeitpunkt nach Nulldurchgang der Spannung des Wechselstromnetzwerkes beginnt und bis zum nächsten Nulldurchgang beibehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch die Kombination der Phasenanschnittsverfahren nach Anspruch 11 und Anspruch 12 zwischen für mindestens zwei verschiedene Halbwellen.
Anordnung zur Leistungsregelung elektrischer Verbraucher an einem Wechselstromnetz, welche die Stromzufuhr zum Verbraucher während eines Bruchteils der Dauer einer Halbwelle des Wechselstroms durch Phasenanschnitt unterbricht, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorhanden sind, welche die Wahl von unterschiedlich gewählten Phasenwinkeln des Phasenanschnitts aufeinander folgender Halbwellen ermöglicht, wobei die Anzahl der aufeinander folgenden Phasenwinkel ungerade und größer als eins ist.
Anordnung zur Leistungsregelung nach Anspruch 14, aufweisend mindestens einen A/D-Wandler, mindestens einen Zeitgeber, mindestens einen Mikrocontroller und mindestens einen Halbleiter, der als elektrischer Schalter für den Leistungsstrom arbeitet, wobei der Mikrocontroller mit Hilfe des A/D-Wandlers die elektrische Spannung des Wechselstromnetzes in einem kleinen Bruchteil der Dauer einer Halbwelle des Wechselstromes erfasst und die Stromzufuhr mit Hilfe des Halbleiters bei einem Nulldurchgang der Spannung des Wechselstromnetzes unterbricht und für eine bestimmte Zeitdauer mit Hilfe des Zeitgebers die Stromunterbrechung beibehält, wobei der Mikrocontroller die Zeitdauer aus einer Tabelle ausliest oder stets neu durch einen im Mikrocontroller implementierten Algorithmus berechnet.
Anordnung zur Leistungsregelung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass einen Analogrechner vorgesehen ist, der Zeitdauer jeweils neu berechnet.
Anordnung zur Leistungsregelung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass abweichend vom Beginn der Stromunterbrechung bei Nulldurchgang der Spannung des Wechselstromnetzes der Mikrocontroller den Strom nach einer Bestimmten Zeitdauer nach Nulldurchgang der Spannung des Wechselstromnetzes unterbricht und bis zum nächsten Nulldurchgang beibehält.
Anordnung zur Leistungsregelung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocontroller den Beginn und das Ende der Stromunterbrechung für verschiedene Phasenwinkel nach Anspruch 15 und nach Anspruch 17 kombiniert.