DE1266394B - Einrichtung zum Steuern und Regeln des Effektivwertes einer Wechselspannung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H02j

Deutsche Kl.: 21 d2 - 42/02

Nummer: 1 266 394

Aktenzeichen: S 80654 VIII b/21 d2

Anmeldetag: 30. Juli 1962

Auslegetag: 18. April 1968

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Effektivwert der Wechselspannung an einem Verbraucher zu steuern oder zu regeln.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist es bereits bekannt, sättigbare Drosselspulen zu verwenden. Zur symmeirischen Steuerung beider Halbwellen sind hierbei zwei Spulen und zwei Ventile erforderlich, die in der bekannten Doubler-Schaltung angeordnet werden. Die Spulen sind dabei mit Steuerwicklungen versehen, die mit einem Steuergleichstrom beschickt werden. Der Magnetisierungszustand derartiger Drosseln ist hierbei von der Zeitspannungsfläche der angelegten Spannung abhängig. Jede Drossel kann zwischen ihren Sättigungsgrenzen nur eine bestimmte Zeitspannungsfläche aufnehmen. Die Größe dieser maximal steuerbaren Zeitspannungsfläche läßt sich durch Änderung der Vormagnetisierung einstellen.

Neben dem verhältnismäßig großen Aufwand sind derartige Regeleinrichtungen verhältnismäßig träge, da die Steuerkreise hochohmig ausgeführt werden müssen und große Zeitkonstanten aufweisen.

Eine andere Möglichkeit zur Steuerung des Effektivwertes einer Wechselspannung besteht darin, den Verbraucher über zwei antiparallelgeschaltete Thyristoren an eine Wechselspannungsquelle anzuschließen. Den beiden Thyristoren werden dabei abwechselnd in aufeinanderfolgenden Halbwellen der Speisewechselspannung Zündimpulse zugeführt, durch deren Phasenlage der Effektivwert der Spannung am Verbraucher bestimmt ist.

Zur Steuerung derartiger Anordnungen sind zwei Steuersätze erforderlich, die abwechselnd die Zündimpulse für die beiden Thyristoren liefern. Hierbei bereitet es Schwierigkeiten, diese Steuersätze so identisch auszuführen, daß die Phasenlage der von ihnen gelieferten Zündimpulse in den zugeordneten Halbwellen der Speisewechselspannung exakt gleich ist. Eine solche Gleichheit ist aber immer gefordert, wenn durch den Verbraucher keine Gleichstromkomponente fließen soll, z. B. bei der Helligkeitssteuerung von Leuchtstofflampen oder bei Steuerung von Schweißtransformatoren.

Abgesehen von diesen technischen Schwierigkeiten ist eine Antiparallelschaltung mit Thyristoren in vielen Fällen aus wirtschaftlichen Gründen nicht tragbar, da die Thyristoren, verglichen mit anderen Baueinheiten, noch relativ teuer sind.

Es ist ferner eine mit einem einzigen Thyristor arbeitende Anordnung zur Steuerung eines Wechselstromes bekannt. Der Thyristor liegt dabei zwischen den Gleichstromklemmen einer Gleichrichterbrücke, deren Wechselspannungsklemmen in dem Laststrom-Einrichtung zum Steuern und Regeln des
Effektivwertes einer Wechselspannung

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München,

8520 Erlangen 2, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Rudolf Basner, 8000 München;

Dipl.-Ing. Konrad Samberger, 8059 Finsing

kreis liegen. Diese Anordnung benötigt zwar nur einen einzigen Steuersatz. Es treten jedoch schon beim Betrieb der Anordnung mit einer Netzwechselspannung von 50 Hz Schwierigkeiten auf, die darauf zurückzuführen sind, daß der Thyristor während der kurzen Nullstellen der an ihm liegenden pulsierenden Gleichspannung nicht in den Sperrzustand übergehen kann.

Es ist ferner bekannt, in Reihe mit einem Wechselstromverbraucher die Primärwicklung eines Transformators zu legen, dessen Sekundärwicklung mit einem veränderbaren Widerstand belastet wird. Wenn dieser Widerstand unendlich groß ist, fließt über den Verbraucher lediglich der Magnetisierungsstrom des Transformators; an dem Widerstand liegt jedoch die gesamte Speisespannung. Wird andererseits der Widerstand praktisch zu Null gemacht, dann fließt im Sekundärkreis ein dem Laststrom proportionaler Strom und verursacht nicht unerhebliche Verluste. Dieser Strom kann zwar durch Wahl des Übersetzungsverhältnisses niedrig gehalten werden. Dann liegt aber an der unbelasteten Sekundärwicklung eine sehr hohe Spannung. Außerdem wird die Zeitkonstante des Reglereingriffes sehr groß.

Bei einer anderen ähnlichen bekannten Schaltung wird der Sekundärwicklung des Transformators ein Gleichstrom zugeführt. Durch periodisches Ein- und Ausschalten des Gleichstromes läßt sich auch der über die Primärwicklung fließende Wechselstrom ver-

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ändern. Diese Veränderung geht jedoch sehr langsam vor sich. Außerdem fließt dabei zwangläufig über den Verbraucher ein Gleichstrom, dessen Größe sich ebenfalls mit dem über die Sekundärwicklung fließenden Gleichstrom ändert.

Durch die Erfindung gelingt es nun, den Aufwand für die Steuerung des Effektivwertes einer Wechselspannung wesentlich herabzusetzen. Die Erfindung besteht in einer Kombination der beiden bekannten Steueranordnungen. Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Steuern und Regeln des Effektivwertes der Wechselspannung an einem Verbraucher, der über eine sättigbare Drosselspule an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen ist, und ist dadurch gekennzeichnet, daß der Drosselspule ein Thyristor parallel geschaltet ist und daß der Effektivwert der Verbraucherspannung durch die Phasenlage der dem Thyristor zugeführten Zündimpulse, bezogen auf die Speisewechselspannung, bestimmt ist.

Die Drosselspule besitzt dabei einen Kern aus einem Material mit im wesentlichen rechteckförmiger Hystereseschleife und ist vorzugsweise so dimensioniert, daß zur Ummagnetisierung des Kerns von der positiven in die negative Sättigung, und umgekehrt, die Zeitspannungsfläche einer Halbwelle der Speisewechselspannung gerade ausreicht. Der Steuerstrecke des Thyristors werden hierbei periodisch Zündimpulse zugeführt, deren Folgefrequenz der Frequenz der Speisewechselspannung entspricht und deren Phasenlage, bezogen auf die einzelnen Perioden der Wechselspannung, den Effektivwert der Verbraucherspannung bestimmt.

Zur Begrenzung der Spannung an dem Thyristor kann auf der Drossel eine zweite Wicklung angeordnet werden, die über einen Zweiwegegleichrichter an eine Gleichspannung angeschlossen wird. Das Verhältnis zwischen den Windungszahlen der beiden Wicklungen der Drosselspule wird dabei so gewählt, daß die Gleichrichter dann leitend werden, wenn die Spannung am Thyristor den gewählten Grenzwert erreicht. Eine solche Spannungsbegrenzung ist vor allem dann erwünscht, wenn dem Verbraucher ein LC-Siebkreis, insbesondere ein Serienresonanzkreis, vorgeschaltet ist, wie dies immer dann der Fall ist, wenn der Verbraucher mit einer sinusförmigen Wechselspannung gespeist werden soll, die Spannungsquelle aber beispielsweise eine rechteckförmige Spannung liefert. Eine solche rechteckförmige Spannung gibt beispielsweise ein mit Thyristoren oder Transistoren arbeitender Wechselrichter ab. In diesem Fall kann die auf der Drossel angebrachte zweite Wicklung über den Zweiwegegleichrichter direkt an die den Wechselrichter speisende Gleichspannungsquelle angeschlossen werden. Derartige Anlagen werden heute vorzugsweise zur Speisung von Leuchtstofflampen in Fahrzeugen verwendet, auf denen ja im allgemeinen nur eine zum Teil stark schwankende Gleichspannung zur Verfugung steht. Eine konstante Speisespannung kann in diesen Fällen leicht durch Veränderung des Zündwinkels des Thyristors, abhängig von der Abweichung der Verbraucherspannung von einem vorgegebenen Wert, erreicht werden. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Dort ist mit 11 eine Wechselspannungsquelle und mit 12 ein Verbraucher bezeichnet, der über die sättigbare Drosselspule 13 an die Spannungsquelle 11 angeschlossen ist. Der Drossel 13 liegt die Schaltstrecke eines Thyristors 14 parallel. Die Steuerstrecke dieses Thyristors ist an einen Steuersatz 15 angeschlossen, der periodisch im Takt der Frequenz der Speisewechselspannung Zündimpulse liefert.

Die Arbeitsweise dieser Anordnung wird an Sand der F i g. 2 und 3 erläutert. In F i g. 2 ist der Verlauf der Speisewechselspannung U abhängig von der Zeit? dargestellt. In Fig. 3 ist die Magnetisierungsschleife der Drossel 13, d. h. also der Fluß abhängig von der Durchflutung H, dargestellt. Zur Vereinfachung ist dabei der Fluß Φ auf die Konstante Φ_ηαχ bezogen und der Quotient mit F bezeichnet. <fr_max ist dabei die Differenz zwischen den der positiven und der negativen Sättigung zugeordneten Flußwerten. Die Drossel ist so dimensioniert, daß das Integral über eine Halbwelle der Speisespannung gerade diesem Wert 0_max entspricht, daß also die Drossel während einer Halbwelle gerade von der negativen Sättigung in die positive Sättigung ummagnetisiert wird. Für eine solche Ummagnetisierung ist also F=I.

Bei der folgenden Beschreibung ist vorausgesetzt, daß dem Thyristor 14 vom Steuersatz 15 immer im Zeitpunkt t = α (vgl. Fig. 2) Zündimpulse zugeführt werden. Dieser Zeitpunkt sei so gewählt, daß 80% der Zeitspannungsfläche der positiven Halbwelle am Verbraucher 12 liegen. Das bedeutet, daß die Drossel 13 nach dem Einschalten der Anlage 20% der gesamten Zeitspannungsfläche aufnimmt. Der Magnetisierungszustand des Drosselkernes — veranschaulicht in F i g. 3 — ist am Ende der ersten positiven Halbwelle charakterisiert durch F = 0,2. Während der folgenden ersten negativen Halbwelle ist der Thyristor 14 gesperrt, und die Drossel 13 wird in negativer Richtung magnetisiert, und zwar ausgehend von Sem Punkt F = 0,2. Die Drossel kann jedoch offensichtlich nur 70% der gesamten negativen Halbwelle aufnehmen. Im Zeitpunkt t = b (vgl. F i g. 2) ist die negative Sättigung des Kernes F = 0,5 erreicht. Am Verbraucher^ liegen somit 30% der negativen Halbwelle.

Von dem folgenden Nulldurchgang — also dem Beginn der zweiten positiven Halbwelle — bis zuim Zeitpunkt t = d, in welchem der Thyristor 14 wieder gezündet wird, wird die Drossel wieder rückmagnetisiert, und zwar ausgehend von F=-0,5 bis F= —0,3, da ja vorausgesetzt wurde, daß der Zeitpunkt*= d so gewählt ist, daß 80% der Halbwelle am Verbraucher liegen sollen und zur vollständigen Ummagnetisierung der Drossel die ganze Halbwelle erforderlich ist.

Am Ende der zweiten positiven Halbwelle sperrt der Thyristor 14, sobald der Strom durch dieses in der Nähe des Nulldurchganges der Spannung annähernd Null geworden ist. Nach dem Nulldurchgang wird die Drossel 13, ausgehend von dem Punkt F = —0,3, wieder in Richtung auf die negative Sättigung magnetisiert. Durch den Verbraucher fließt hierbei Hur der sehr kleine Magnetisierungsstrom. Im Zeitpunkt t = b' ist die Drossel wieder gesättigt, so daß von diesem Zeitpunkt an die Speisewechselspannung wieder am Verbraucher liegt.

Die Drossel wird offensichtlich von jetzt an in den negativen Halbwellen genau um den gleichen Betrag in Richtung auf die negative Sättigung rückmagnetisiert, wie sie während der positiven Halbwellen in Richtung auf die positive Sättigung magnetisiert wird. Der Betrag der Zeitspannungsfläche, den die Drossel hierbei aufnimmt, entspricht genau jener Zeitspan-

nungsfiäche, die während der positiven Halbwelle der Speisewechselspannung durch den Thyristor 14 gesperrt wird. Der Anschnittswinkel während der positiven wie auch während der negativen Halbwelle läßt sich offensichtlich durch einen einzigen Zündimpuls steuern, der dem Thyristor jeweils während der positiven Halbwelle jeder Periode zugeführt wird.

Ein spezielles Anwendungsbeispiel der Erfindung ist in F i g. 4 dargestellt. Dort ist der Verbraucher mit 32, der Thyristor mit 34, die Drossel mit 33 und der Steuersatz mit 35 bezeichnet. Als Speisespannungsquelle dient hierbei ein mit 31 bezeichneter Wechselrichter, der von einer Gleichspannungsquelle 36 gespeist wird. Die Drossel 33 trägt hierbei eine zweite, mittelangezapfte Wicklung 331, die über zwei in Mittelpunktschaltung angeordnete Gleichrichter 371 und 372 an die Gleichspannungsquelle 36 angeschlossen ist. Dem Verbraucher 32 — der beispielsweise eine Leuchtstofflampe ist — ist ein LC-Siebkreis 38 vorgeschaltet. Dieser besteht aus einem Parallelresonanzkreis, gebildet von der Drossel 383 und dem Kondensator 384, der dem Verbraucher 32 direkt parallel liegt. Der gesamten Parallelschaltung ist ein Serienresonanzkreis vorgeschaltet, der aus der Drossel 381 und dem Kondensator 382 gebildet wird.

Der Effektivwert der Verbraucherspannung wird bei dieser Anordnung in der gleichen Weise verändert, wie dies zuvor an Hand der Fig. 1 erläutert wurde. Das LC-Filter38 dient hier lediglich dazu, die z. B. rechteckförmige Speisespannung des Wechselrichters in eine sinusförmige Spannung umzuformen. Gerade hierbei können aber je nach Zündwinkel an dem Thyristor 34 hohe Überspannungen auftreten. Diese werden durch die Kondensatoren der Siebkreise hervorgerufen. Zur Begrenzung der Spannung am Thyristor dient hierbei die auf der Drossel 33 angebrachte mittelangezapfte Hilfswicklung 331. Diese Wicklung bildet zusammen mit den Gleichrichtern 371 und 372 eine Mittelpunktschaltung, die an die den Wechselrichter 31 speisende Gleichspannungsquelle 36 angeschlossen ist. Übersteigt die Spannung an dem Thyristor 34 bzw. der Hauptwicklung der Drossel 33 einen bestimmten, im wesentlichen durch die Bauart des Thyristors 34 vorgegebenen Grenzwert, dann sollen die Gleichrichter 371 und 372 leitend werden. Dem Thyristor 34 ist dann praktisch der niedrige Innenwiderstand der Spannungsquelle 36 parallel geschaltet, so daß die Spannung am Thyristor nicht mehr wesentlich ansteigen kann. Eine solche Arbeitsweise läßt sich durch geeignete Wahl der Windungszahl der Hilfswicklung 331 ohne weiteres bei jeder Speisespannungsquelle erreichen, die auch Energie aufnehmen kann, wie z. B. eine Batterie oder einen Kondensatorspeicher. Die Hilfswicklung 331 könnte über die Gleichrichter 371 und 372 auch an einen Kondensator angeschlossen werden, dem ein vorzugsweise spannungsabhängiger Entladewiderstand parallel geschaltet ist.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Steuern und Regeln des Effektivwertes der Wechselspannung an einem Verbraucher, der über eine sättigbare Drosselspule an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Drosselspule ein Thyristor parallel geschaltet ist und daß der Effektivwert der Verbraucherspannung durch die Phasenlage der dem Thyristor zugeführten Zündimpulse, bezogen auf die Speisewechselspannung, bestimmt ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel einen Kern aus einem Material mit im wesentlichen rechteckförmiger Hystereseschleife besitzt und so dimensioniert ist, daß zur Unimagnetisierung des Kernes von der positiven in die negative Remanenzlage gerade die Zeitspannungsfläche einer Halbwelle der Speisewechselspannung ausreicht.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folgefrequenz der dem Thyristor zugeführten Zündimpulse der Frequenz der Speisewechselspannung entspricht.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum Regeln und Steuern der Spannung an einem Verbraucher, dem LC-Siebkreise, insbesondere ein Serienresonanzkreis, vorgeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel eine zweite Wicklung trägt, die über einen Zweiwegegleichrichter an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Windungszahlen der beiden Wicklungen der Drosselspule im Verhältnis zur Höhe der Gleichspannung so gewählt ist, daß die Gleichrichter stromdurchlässig werden, sobald die Spannung am Thyristor einen bestimmten, durch die Bauweise dieses Thyristors bestimmten Grenzwert übersteigt.

6. Anwendung einer Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5 zum Regeln oder Steuern der Spannung an einem Verbraucher, der von einem Wechselrichter gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß die den Wechselrichter speisende Gleichspannungsquelle über einen Zweiwegegleichrichter an die Zeitwicklung der Drossel angeschlossen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 661 025, 975 102;
deutsche Auslegeschrift Nr. 1 079 730;
»AEG-Mitteilungen 51«, 1961, H. 11/12, S. 458; »IRE-Transactions on Nuclear Science«,
Juni 1959, S. 72.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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