DE1515613A1

DE1515613A1 - Anordnung zur selektiven Steuerung der Energieaufnahme von Verbrauchern

Info

Publication number: DE1515613A1
Application number: DE19651515613
Authority: DE
Inventors: Konrad Dr-Ing Dinter
Original assignee: DINTER K
Current assignee: DINTER K
Priority date: 1965-05-28
Filing date: 1965-05-28
Publication date: 1971-09-30
Also published as: US3448361A

Description

Anordnung zur selektiven Steuerung der Energieaufnahme von Verbrauchern

Für die seleicfcive Steuerung der Energiezufunr von Verbraucnern, die an einer gerneinsamen 3 >eiselextung liegen, besteht in manchen Fallen die EinschränKung, daß besondere Steuerleitungen nicnt installiert werden Können. Es giDt die verschiedensten Gründe hierfür. Ein Grund kann der sein, daß eine Installation oder Anlage vorhanden ist, die nacntraglicü eine Steuerung der Verbraucher eraalten solx. Ein anderer Grund Kann beispielsweise darin liegen, daß auf Fahrzeugen befindliche i-iotoren oder atidere Verbraucher über die allein vornandene Fahrleitung gesteuert werden sollen.

üie iirl'indung Dezieht sich auf eine Anordnung zur selektiven Steuerung der iJnergieauf riatuue von Verbrauchern, die in Reine mit steuerbaren Halbleifcerschaltern an einer gemeinsamen Speiseleitung Liegen, mit Hilfe von träger!"requenten, der Speisespannung überlagerten periodischen Steuer Liioulseii von entsprechender Phasenlage und Länge.

iOine Anordtii.iig der vorgenannten (jattuuß, ei Le insbesondere f-'ir die .-iteiKiruiif; von node L Lf Lsenbalm— oder - jode 1 LaufcoariLagen t)p.n fc iui.-ii t. ist, LMk d'irori ili ο iJSA-t'ateti tsehi'Lft: i,'} Y>, (»-t}

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bekanntgeworden. Bei dieser liegt die Speiseleitung über einen Transformator unmittelbar an Wechselspannung von z.B. 60 Hz. In einem Steuergerät werden trägerfrequente Steuerimpulse erzeugt, die der Speisespannung überlagert werden und deren Folgefrequenz gleich der Frequenz der Wechselspannung ist. Die Phasenlage der Rückflanke dieser Steuerimpulse ist vorgegeben und so gewählt, daß sie xiiit dem i-iUlldurchgarig z.B. der positiven HaIbwelle der Wechselspannung übereinstinmit. Die Phasenlage der Vorderflanke der Steuerimpulse ist entsprechend der gewünschten Energieaufnahme des der betreffenden Trägerfrequenz zugeordneten Fahrzeugmotors veränderbar, so daß die Steuerimpulse, von der Länge Null beginnend, sich über einen metar oder weniger großen Teil der Halbwelle der Wechselspannung erstrecken. Jn Reihe zu jedem Fahrzeugmotor, der ein G-leichstronunotor ist, lie^t ein steuerbarer Halbleitergleiciiricliter (Thyristor, SCR), dessen Steuerelektrode die Steuerimpulse über ein auf die betreffende Trägerfrequenz abgestimmtes Filter zugeführt werden. Durch Verändern der Länge der Steuerimpulse kann somit die Zeitdauer des Stromflusses wahrend Jeder positiven Halbwelle und damit die Drehzahl des .-iotors in der durch die Polarität der llalliweiLc liestim.ibfiii DrtshrLcii tun/¹; gesteuert werden. Kür die regelbare .in« iiiiiug des t'iutut'ü Ln der· anderen Urntiri uiitiui«; wird in eier en t s I'lecJieiHlen rfeini-, iiuUm Verwendung von > t»Mi»ii'iui(itil3en einer

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anderen Tragerfrequenz, eines zu dem genannten Halbleitergleicnricnter parallelliegenden zweiten Halbleitergleichricnters und eines diesem zugeordneten, auf diese andere Trägerfrequenz abgestimmten Filters die andere, negative Halbwelle der rfechselspannung herangezogen.

Die bekannte Steueranordnung hat den Nachteil, daiJ für jede Drehrichtung des Motors maximal nur die halbe Spannungs-Zeit-Flaclie der speisenden Wechselspannung zur Verfügung steht, so daß die Motoren an der konstruktiv vorgesehenen Betriebsspannung nur bis zu ihrer halben Nennleistung ausgesteuert werden können. tfill man diesen L·eistungsverlust dadurch ausgleichen, daß man mit entsprechend erhöhter Betriebsspannung arbeitet, so verschiebt sich der Magnetisierungszustand des Eisenkerns des Motors in den Snttigungsbereich, mit der Folge einer wesentlichen Verschlechterung des Wirkungsgrades unter Erhöhung der Wärmeentwicklung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur selektiven Steuerung der Energieaufnahme von Verbrauchern mit den oben genannten allgemeinen Merkmalen zu schaffen, bei der alle diese Nachteile vermieden sind. Dies wird dadurch erreicht, daß die Speiseleitung mit dem Wechselspannungsnetz über

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eine aus steuerbaren Schaltern bestenende Vollweggleichricht er schaltung verbunden ist und daß die Folgefrequenz der trägerfrequenten Steuersignale gleich der doppelten xsetzfrequenz ist, wobei die Schalter der Vollweggleichrichterschaltung zusätzlich so gesteuert sind, daß die durcn sie erzeugte koinuiutierte Gleichspannung jeweil etwa im Anscaluß an den Nulldurchgang der Rückflanke der die Verbraucher sneisenden Stromimnulse eine Lücke aufweist.

Infolge der Verwendung der durch die Doppelweggleichrichtung erzeugten koininutierten Gleichspannung unter gleichzeitiger Verdopplung der Folgefrequenz der Steuerimpulse wird nunmehr die gesa mte Spannungs-Zeit-Fläche der speisenden Wechselspannung ausgenützt. Eine Steueranordnung, welche nur die beiden vorgenannten Merkmale aufwiese, wäre jedoch in der Praxis nicht arbeitsfähig. Sobald nämlich der durch den Halbleiterschalter fließende Strom abreißt, wird das an seiner Steuerelektrode liegende Resonanzfilter impulsartig angestoßen und schwingt entsprechend seiner Zeitkonstante aus. Inzwischen hat aber die Speisespannung wieder endliche Werte erreicht, so daß durch das noch andauernde Schwingen des Filters eine unzulässige Sofortzündung des Halbloiterschalters eintreten würde. Man könnte zwar die Ausschwing-Zeitkonstante des Filters herabsetzen, indem man seine Güte verringert. Diese Maßnahme ist aber aus zwei Gründen unerwünscht. Einerseits wird dadurch die für jede der vorgesehenen Trägerfrequenzen erforderliche Bandbreite und damit der gesamte Frequenzbandbedarf größer. Zum anderen schwingt

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ein solches Filter schneller an und kann damit bei kurzzeitigen StöriiiiDulsen ebenfalls Fehlzündungen des Halbleiterschalters verursachen. Erst durch die Kombination alier oben angeführter Mericinale wird eine Anordnung geschaffen, die auch im praictischen Einsatz betriebssicher ist. Durch die im AnschluJ an die Hückflanke jedes Stromimpulses erzeugte Lücke in der Speisespannung wird ein Durchzünden der in Serie mit dem Verbraucher liegenden steuerbaren Halbleiterschalter mit Sicherheit verhindert.

üie Erfindung wird annaad der Zeichnung näher erläutert.

iös zeigen:

Fig. 1 ein Ausfiihrungsbeisoiel einer erfindungsgemaßen Steueranordnung j

Fig. 2 den Suannungsverlauf an verschiedenen Punkten dieser Anordnung;

Fig. 3 eine schematisch dargestellte Steueranordnung mit verschiedenen Arten von Verbrauchern.

An die Speiseleitung 1 ist eine Anzahl von Verbrauchern 2 angeschlossen, von denen in Fig. 1 jedocii nur einer dargestellt ist. Jeder dieser Verbraucher xiegt in Reihe mit einem iialbleiterschalter (gesteuerten 'j-leicuriciiterj 3. Die Stromauf/nähme der Verbraucher wird üurca die Länge von trägerfrequemten Steuerimnulsen bestimmt, die der Speisespannung iberlagert werden. Sie werden den Eingangskiemmen des steuerbaren Haibieiterschalters 3 über ein Entkopplungsnetzwerk

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und ein Filter zugeführt, die beim AusführungsbeispLel durch einen Widerstand k und einen Parallelschwingkreis 5» 6 gebildet werden.

Zur Erzeugung der tragerfrequenten Steuerimpulse ist jedem der Verbraucher in bekannter Weise ein einstellbarer Geber zugeordnet, der auf die dem Verbraucner zugeteilte Steuerfrequenz abgestimmt ist und dessen Steuerimpulse über ein EntkopolungsnetzwerK « in die Speiseleitung 1 eingekopoelt werden. Durch die jeweilige Einstellung des Gebers 7 wird die Phasenlage der Vorderflanke der Steuerimpulse geändert.

Die Speiseleitung 1 ist im Sinne der Erfindung mit dem tfechselspannungsnetz 9 über eine einen legentaKttransiormator 1o enthaltende, mit steuerbaren Schalter (Halbleitergleicnrichtern) 11 und 11· ausgestattete Vollweggleichrichterschaltung verbunden, und die Folgefrequenz der trägerfrequenten Steuerimpulse entsoricht nicnt der einfachen, sondern der doopelten Netzfrequenz. Die Schalter 11 und 11· sind zusätzlicn zu inrer Funktion als Gleichricnter so gesteuert, dalJ die durch sie erzeugte koinniutierte Gleicnspannung jeweils etwa im Aiisctiiuii an den .xuxidurchgang der HtckflariKe der die Verbraucher speisenden St rom impulse eine Lücke aufweist, ßeim Ausführungsbeispiel geschieht dies in dor Weise, daß der BegLrm der Leitf. iiLgKfc it der Schalter 11 und 11 ' verzögert wird, Indem die an Lure ateuereimttrocleii angeschlossene GLeichrLenter-Wideratmds-Kombination

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12/13 bzw. 12V1'3' an einer Hilfsftleictispannung -U. liegt.

In Zeile a der Figur 2 ist die beim Ausführungsbeispiel atii tretende Wellenform der an der Speiseleitung 1 wirksamen Speisespannung gezeigt. Zeile b zeigt die trägerfrequenten Steuerimoulse am filter fi/ό und Zeile c den zeitlichen Verlauf der Spannung am Verbraucher 2, dem auch - jedenfalls bei einem ohinschen Verbraucher - der Verlauf der den Verbraucher sneisenden Stromimpulse entspricht.

Mit T ist die Periodendauer der Netzwechselspannung bezeichnet. Getnäii Zeile a wird die dopneltgleicngerichtete Speisespannung (koniuiutierte Gleichspannung) nach dem Nulldurchgang (t = 0, o,5 T, T, ... usw.) jeweils erst nach einer Lücke von etwa Io "ρ der Periodendauer wirksam, also bei o,1 T, o,ö T, ... usw.. Die fiücKflanke der trägerfrequenten Steuerimpulse (Zeile b) ist so gelegi, da« diese jeweils etwa zu den Zeito, τ T, T, ... beendet sind. jJurch die Verschiebung

der Phasenlage t inrer Vorderflanke, durcn entsprechende Einstellung am Geber 7j wird die mittlere Leistungsaufnahme des Verbrauchers 2 gesteuert. Die trägerfrequente Steuerspannung schwingt entsprechend der Güte des Filters 5/6 ein und bewirkt jeweils nach Erreichen einer Schwelle, zum Zeitpunkt t , das Zünden des Halbleiterschalters 3t wodurch der Verbraucher 2 entsprechend dem Rest der Halbwelle der Speisespannung an Spannung liegt. Dabei wird auch die Eingangsimpedanz des Halbleiterschalters nieuerohmig, so daiä die trtigerfrequente Schwingung von hier ab unterdrückt wird.

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Durch das Abreißen des Stroinflusses zum Zeitpunkt 0,5 T, T, ... usw., entsprechend dem Spannungsverlauf in Zeile c, wird das Filter 5/0» wie weiter oben erläutert, angestoßen und schwingt entsprechend seiner Zeitkonstante aus. Dadurch, daß die neue Halbwelle jeweils erst nach der erwähnten Lücke einsetzt und nicht etwa bereits bei t = 0, o,5 T, T, ..., wird vermieden, daß der Halbleiterschalter 3 sofort wieder durchzündet.

In der schematischen Darstellung der Figur 3 ist mit 14 der die gesteuerte Vollweggleichrichterschaltung enthaltende Teil der erfindungsgemäßen Anordnung bezeichnet, mit 15 eine Zusammenfassung von Gebern zum gleichzeitigen Aussenden von einstellbaren Steuerimpulsen auf sieben verschiedenen Trägerfrequenzen f' .,.JF₇, die über ein Entkopplungsnetzwerk 16 auf die Speiseleitung 1 gegeben werden. An dieser Speiseleitung liegen verschiedene Arten von Verbrauchern z.B. einer elektrischen Modelleisenbahnanlage.

Bei den einzelnen Beispielen a bis e ist jeweils mit E ein Entkopplungsnetzwerk entsprechend dem Widerstand k in Figur 1 bezeichnet, mit F₁...F ein auf die betreffende Trägerfrequenz abgestimmtes Filter entsprechend dem Filter 5/6 in Figur 1 und mit 3 bzw. 3¹ der Halbleiterschalter.

Figur 3a zeigt einen einfachen Verbraucher 17 wie beispiels weise einen Hubmagnet oder eine Magnetkupplung, Figur 3b

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einen ReihenschluUmotör 18/1Ö', der ohne Drehrichtungsänderung in seiner Leistung gesteuert wird. Das Gleiche zeigt Figur 3c für einen wotor 19 mit Nebenschluiiwicklung 19"» die durch ein permanentes Magnetfeld ersetzt sein könnte.

In Figur 3d ist der Verbraucher ein Keihenschluiimotor 2o mit angezapfter Erregerwicklung.. ,Die beiden je einer Drehricntung zugeordneten Zweige 2ο¹, 2o" der Erregerwicklung liegen in Serie mit steuerbaren Halbleiterschaltern 3 bzw, 3', die über auf verschiedene oteuerfrequenzen ansprechende Filter F. bzw. F^ ansteuerbar sind.

Schließlich zeigt Figur 'Je einen Motor 21 mit Permanenterregung 21 ', dessen Leis tun ,sauf nähme wie in Figur 'Jc durch einen rialoieiterscnalter j gesteuert wird, w; nrend die Umschaltung der Drenrichtung mittels eines Relais 22 erfolgt. Dieses betätigt zwei Umschalter 22 ^f, 22" und wird ahnlich wie der Verbraucher 1/ in Figur 3a durch einen Halbleiterschalter 23 gesteuert.

Infolge der Unetiipfindlichkeit der ei*findungsgemäßen Anordnung hinsicntlich des Ausschwingens des Filters am Verbraucher kann dieses Filter in vorteilhafter Weise ein niagnetostrimtives oder niezoeleictrisches Filter sein. Damit vermindert sich der Aufwand an .bauelementen am Verbraucher auf drei, nämlich den .lalbleiterschalter, die iüntkooplung und das Filter.

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Claims

Patentansprüche

1. Anordnung zur selektiven Steuerung der Energieaufnahme von Verbrauchern, die in Reihe mit steuerbaren Halbleiterschaltern an einer gemeinsamen Speiseleitung liegen, mit Hilfe von trägerfrequenten, der Speisespannung überlagerten periodischen Steuerimpulsen von entsprechender Phasenlage und Länge, die den Halbleiterschaltern über selektive Filter zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseleitung mit dem Wechselspannungsnetz über eine aus steuerbaren Schaltern bestehende Vollweggleichrichterschaltung verbunden ist und daij die Folgefrequenz der trägerfrequenten Steuerimpulse gleich der doppelten «etzfrequenz ist, wobei die Schalter der Vollweggleichrichterschaltung zusätzlich so gesteuert sind, daß die durch sie erzeugte kommutierte Gleichspannung jeweils etwa im Anschluß an den Wulldurchgang der xiückilantce der die Verbraucher speisenden Stromimoulse eine Lücice aufweist.

2. Anordnung nacii Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daJ die Kiri^an;;sKleaunen der steuerbaren Halbleiterschalter der Verbraucher an einem Paraiielschwirigkreis liegen, der über einen Reihenwiderstand mit der Speiseleitung verbunden ist.

Neue U.'.leriayon nn., i.a.^süi.Is^tzoc.'.GA.K.-.-urtsgcs. v.4. > .,..·.

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3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das verbraucherseitige selektive Filter ein magnetostrlktives oder piezoelektrisches Filter ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher ein Reihenschlußmotor mit angezapfter Erregerwicklung ist und daß die beiden je einer Drehrichtung zugeordneten Zweige der Erregerwicklung in Serie mit steuerbaren Halbleiterschaltern liegen, die über auf verschiedene Steuerfrequenzen ansprechende Filter ansteuerbar sind.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher ein Gleichstrommotor ist, der für die Steuerung der Drehzahl und für die Betätigung eines Dreiirichtungsumschalters Halbleiterschalter enthalt, die über auf verschiedene Steuerfrequenzen ansprechende Filter ansteuerbar sind.

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