DE102007059789B3

DE102007059789B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Reduzierung von Oberwellen und interharmonischer Wellen für Leistungssteuerungen von an einem Wechselspannungsnetz angeschlossenen elektrischen Verbrauchern

Info

Publication number: DE102007059789B3
Application number: DE200710059789
Authority: DE
Inventors: Karsten Dr. Zeiske; Martin Dr. Fieseler
Original assignee: Panasonic Electronic Devices Europe GmbH
Current assignee: Panasonic Industrial Devices Europe GmbH
Priority date: 2007-12-11
Filing date: 2007-12-11
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2027-12-12

Abstract

Verfahren zur Reduzierung von Oberwellen und interharmonischer Wellen für Leistungssteuerungen von an ein Wechselspannungsnetz angeschlossenen elektrischen Verbrauchern durch Phasenanschnitt, dadurch gekennzeichnet, dass der die Leistungsaufnahme bestimmende Zündwinkel (α', α'') des Phasenanschnitts je Halbwelle der speisenden Wechselspannung in einer wiederkehrenden Sequenz α', α', α'', α', α'', α'', α', α'' variiert und dass der über die Sequenz gemittelte Zündwinkel dem Sollwert des Zündwinkels (α) entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduzierung von Oberwellen und interharmonischer Wellen für Leistungssteuerungen von an einem Wechselspannungsnetz angeschlossenen elektrischen Verbrauchern.
Leistungssteuerungen von elektrischen Verbrauchern, die an einer Wechselspannung, üblicherweise der Netzspannung, angeschlossenen sind, sind zumeist als Phasenanschnittsteuerung realisiert, bei der der Stromfluss nach dem Nulldurchgang der Wechselspannung bis zu einem einstellbaren Zündwinkel verzögert wird, ab dem der Verbraucher bis zum nächsten Nulldurchgang des Stromes mit Energie versorgt wird, wodurch die über eine Periode der Wechselspannung gemittelte Leistung eingestellt werden kann. Der größte Nachteil von Phasenanschnittsteuerungen ist der nicht-sinusförmige Verlauf des Stromes, der im Netz Störungen hervorruft. Da Strom und Spannung nicht dieselbe Form besitzen, ergibt sich eine Blindleistung, die in der Darstellung als Spektrum Oberschwingungen besitzt und elektronische Geräte beschädigen kann.
Es sind diverse Modulationsverfahren zur Reduzierung der Oberwellen bekannt:
DE 101 00 196 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Versorgungsvorrichtung, bei dem der vom erste Zündwinkel abhängige Anteil einer wellenförmigen Spannung dem zeitlichen Mittel der Anteile eines zweiten und eines dritten Zündwinkels entspricht, derart, dass die Zündwinkel innerhalb einer Vollwelle konstant sind.
WO 2007/040443 A1 beschreibt ein Verfahren zur Leistungssteuerung eines Elektromotors, bei dem in einer ersten Vollwelle einer wellenförmigen Spannung die Zündwinkel der Halbwellen variiert werden und in der folgenden Vollwelle die Zündwinkel zeitlich gespiegelt zur ersten Vollwelle eingestellt werden.
US 5,986,440 A beschreibt ein Verfahren zur Leistungssteuerung, bei dem in einer sich wiederholenden Sequenz in jeder Halbwelle die Last für eine innerhalb der Sequenz variierenden Zeit von der Energiequelle getrennt wird.
DE 197 05 907 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei dem der Zündwinkel um den vorgegebenen, der gewünschten Leistungsaufnahme entsprechenden Sollwert nach größeren und kleineren Werten variiert wird, vorzugsweise so, dass eine zeitliche Unsymmetrie des Zündwinkels zwischen zwei aufeinanderfolgende Vollwellen erzeugt wird. Hierdurch werden die gradzahligen Harmonischen langsam erhöht und die ungradzahligen stark reduziert.
Dieses Verfahren reduziert zwar die Oberwellen der anliegenden Wechselspannung, erzeugt aber zusätzlich Wellen mit den Vielfachen der halben Frequenz der anliegenden Wechselspannung, den so genannten Interharmonischen.
EP1 529 335 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Leistungssteuerung durch Phasenanschnitt und einem Verfahren zur Verringerung von Oberwellen, bei dem vor dem eigentlichen Zündvorgang ein Strombetrag fließt, der kleiner ist als der eigentliche Nennstrom. Dadurch werden weitere, zeitlich früher entstehende Harmonische gebildet, die sich mit harmonischen Oberwellen bei der eigentlichen Phasenanschnittsteuerung zumindest teilweise auslöschen.
Dieses Verfahren benötigt aber eine Vorrichtung, die neben den Elementen einer Phasenanschnittsteuerung ein zusätzliches Schaltelement und ein stromlimitierendes Element erfordert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für Leistungssteuerungen von an ein Wechselspannungsnetz angeschlossenen elektrischen Verbrauchern die parasitär erzeugten Oberwellen und interharmonischer Wellen zu reduzieren und die dafür benötigte Vorrichtung einfach und kostengünstig zu halten.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des 1. Patentanspruchs gelöst, indem der Zündwinkel je Halbwelle der speisenden Wechselspannung in einer wiederkehrenden Sequenz derart gewählt wird, dass zum einen die Leistung annähernd sinusförmig variiert, ohne dass das Gleichgewicht der Leistung zwischen positiven und negativen Halbwellen im Mittel aufgehoben wird, zum anderen die über die Sequenz gemittelte Leistung eingestellt werden kann.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass sich Phase und Amplitude der durch das Schalten der Wechselspannung erzeugten Oberwellen aufgrund der beschriebenen Auswahl des Zündwinkels derart gestalten, dass sie sich im Mittel auslöschen können. Das durch die Variation des Zündwinkels erzeugte Brummen verfügt nur über wenige Oberwellen und die Frequenz kann durch Verändern der Sequenzlänge in Grenzen an die Applikation angepasst werden.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Figuren beschrieben:
1 zeigt ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Sequenz von Zündwinkeln,
2 zeigt vereinfacht ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die in 1 gezeigte Sequenz stellt ein Beispiel für erfindungsgemäße Auswahl von Zündwinkeln dar. Die beiden verwendeten Zündwinkel α und β sind hier so gewählt, dass mit dem Zündwinkel α drei Halbe und mit dem Zündwinkel β die Hälfte der gewünschten Leistung erreicht werden. In der Sequenz folgen auf eine positive und eine negative Halbwelle mit jeweils dem Zündwinkel α eine positive Halbwelle mit dem Zündwinkel β und eine negative Halbwelle mit dem Zündwinkel α. Daran reihen sich eine positive und eine negative Halbwelle mit jeweils dem Zündwinkel β, eine positive Halbwelle mit dem Zündwinkel α und eine negative Halbwelle mit dem Zündwinkel β. Gemittelt über jeweils eine Vollwelle ergibt sich so eine näherungsweise sinusförmige Abfolge in der Leistung von 150%, 100%, 50% und 100%. Das Gleichgewicht der Leistung zwischen positiven und negativen Halbwellen bleibt im Mittel erhalten.
Eine Ausführungsform der Erfindung ist vereinfacht in 2 dargestellt. Der Verbraucher (1) ist in Reihe mit einem TRIAC (5) an ein Wechselspannung-Versorgungsnetz angeschlossen, dessen beiden Pole mit L und N gekennzeichnet sind. Der Steuereingang des TRIACS ist über einen DIAC (4) mit einem Phasenschieber bestehend aus dem Kondensator (2) und einem Widerstand (3) verbunden. Durch den Phasenschieber wird die Schwellspannung des DIAC erst verzögert nach dem Nulldurchgang der Wechselspannung erreicht und der TRIAC gezündet. Der TRIAC wird leitend, so dass der Verbraucher mit Energie versorgt werden kann. Der TRIAC bleibt bis zum Ende der Halbwelle der Versorgungsspannung leitend und geht dann in den nicht-leitenden Zustand über.
Die Modulation des Zündwinkels wird mit einem Sequenzer (20) gesteuert, dessen Bestandteile in 2 in einem gestrichelten Kasten zusammengefasst sind. Parallel zum Widerstand (3) des Phasenschiebers werden je nach Halbwelle der speisenden Wechselspannung Widerstände (21), (23) über jeweils einen Transistor (22), (24) geschaltet, um die Verzögerung des Phasenschiebers zu variieren. Die Transistoren werden von einem Zähler (25), z. B. CD4022, angesteuert, der mit der doppelten Frequenz der speisenden Wechselspannung getaktet wird. Diese generiert eine Frequenzverdopplerschaltung (30), deren Bestandteile in 2 wieder in einem gestrichelten Kasten zusammengefasst sind.
Zur Frequenzverdoppelung wird zum einen die Wechselspannung über einen Hochpass, bestehend aus dem Kondensator (31) und dem Widerstand (32), differenziert und über jeweils eine Diode (34) und (35) gegen die beiden Pole der Niederspannungsversorgung (10) geblockt. Das somit zu einem rechteckförmigen Signal konvertierte Signal wird dann an den einen Eingang eines Exklusiv-Oder Gatters (38) geleitet. Zum anderen wird die Wechselspannung über einen Widerstand (35) zur Strombegrenzung wiederum zur Konvertierung in ein rechteckförmiges Signal über jeweils eine Diode (36) und (37) gegen die beiden Pole der Niederspannungsversorgung geblockt und an den anderen Eingang des Exklusiv-Oder Gatters angeschlossen.
Die Niederspannungsversorgung (10) wird mit einem simplen Netzteil, bestehend aus einer Gleichrichterdiode (11), einem Widerstand (12) zur Strombegrenzung, einer Zenerdiode (13) zur Spannungsstabilisierung und einem Kondensator (14) zur Glättung, bewerkstelligt. Die Bestandteile der Niederspannungsversorgung sind in 2 in wiederum in einem gestrichelten Kasten zusammengefasst.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden der Sequenzer und die Frequenzverdoppelung anstatt mit einer diskreten Schaltung in einem Mikrocontroller nachgebildet. In den inzwischen sehr preiswerten Mikrocontrollern können so neben dem erfindunggemäßen Verfahren auch weitere Funktionalitäten implementiert werden wie z. B. ein langsames Hochlaufen der Leistung zu dem gewünschten Endwert.

Claims

Verfahren zur Reduzierung von Oberwellen und interharmonischer Wellen für Leistungssteuerungen von an ein Wechselspannungsnetz angeschlossenen elektrischen Verbrauchern durch Phasenanschnitt, dadurch gekennzeichnet, dass der die Leistungsaufnahme bestimmende Zündwinkel (α', α'') des Phasenanschnitts je Halbwelle der speisenden Wechselspannung in einer wiederkehrenden Sequenz α', α', α'', α', α'', α'', α', α'' variiert und dass der über die Sequenz gemittelte Zündwinkel dem Sollwert des Zündwinkels (α) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Zündwinkel der Sequenz entweder maximal oder minimal ist und die verbleibenden Zündwinkel entsprechend der gewünschten Leistungsaufnahme generiert werden.
Vorrichtung zur Reduzierung von Oberwellen und interharmonischer Wellen für Leistungssteuerungen von an ein Wechselspannungsnetz angeschlossenen elektrischen Verbrauchern durch Phasenanschnitt, dadurch gekennzeichnet, dass eine den tatsächlichen Zündwinkel (α', α'') um den Sollwert (α) des Zündwinkels der gewünschten Leistungsaufnahme je Halbwelle der speisenden Wechselspannung variierende Steuerschaltung vorgesehen und so ausgebildet ist, dass der Zündwinkel in einer wiederkehrenden Sequenz α', α', α'', α', α'', α'', α', α'' variiert und dass der über die Sequenz gemittelte Zündwinkel dem Sollwert des Zündwinkels (α) entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 3 mit einem in Reihe zum Verbraucher geschalteten TRIAC, dadurch gekennzeichnet, dass dem TRIAC ein Zündwinkelsteuergerät zugeordnet ist, welches je Halbwelle der den Verbraucher speisenden elektrischen Wechselgröße dem TRIAC tatsächliche Zündwinkelsignale (α', α'') zuführt, die gegenüber dem Sollwert des Zündwinkels (α) bei einer vorgegebenen Leistungsabgabe zeitlich nach vorn oder hinten um in einer Sequenz festgelegte Winkeldifferenzbeträge versetzt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem einstellbaren Widerstand (3) im Ansteuerkreis (Widerstand (3) und Kondensator (2)) des TRIACS ein mit der doppelten Netzfrequenz schaltendes Zählerglied (25) zugeordnet ist, welches mittels Schalter (22, 24) dem leistungsstellenden Widerstand (3) jeweils einen Widerstand (21, 23) vorgegebener Größe je Halbwelle parallel schaltet.