DE19642388A1 - Steuerverfahren zur Leistungsverstellung ohmscher und ohmscher-induktiver Lasten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuerverfahren zur Leistungs­ verstellung ohmscher und ohmscher-induktiver Lasten nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Es ist bekannt, Leistungsverstellungen durch Verändern des Phasenanschnittwinkels vorzunehmen. Dabei wird ein Schalte­ lement, beispielsweise ein Thyristor durch Verändern des Zündzeitpunktes von 0° bis 180° angesteuert, wobei jeweils eine Halbwelle genutzt wird. Je später die Zündung erfolgt, umso geringer werden der Strom und die damit verfügbare elektrische Leistung.

Bei der ebenfalls bekannten Vollwert-Taktsteuerung werden aus dem Netzsinus vorgegebene Anzahlen von Halbwellen zur Last durchgeschaltet. Ein Problem bei der Vollwellen-Taktsteuerung besteht darin, daß hohe Einschaltstromstöße auftreten. Wenn eine Vollwellen-Taktsteuerung in Verbindung mit niederohmigen Lasten und geringem Ansteuerungsgrad ver­ wendet werden, können hohe Impulsströme auftreten.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Verstellung der Leistung für insbesondere niederohmige Lasten, vorzugsweise Heizelemente mit vorge­ schaltetem Transformator, zu schaffen, bei dem schädliche Einschaltstromstöße und hohe Impulsströme weitgehend ver­ mieden werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Steuerverfahren mit den Merk­ malen des Patentanspruches 1 gelöst.

Der wesentliche Vorteil besteht darin, daß das erfindungs­ gemäße Steuerverfahren die Phasenanschnittsteuerung und die Vollwellen-Taktsteuerung kombiniert, wobei im unteren Lei­ stungsbereich ausschließlich die Phasenanschnittsteuerung, im mittleren Leistungsbereich die Kombination aus Phasenan­ schnittsteuerung und Vollwellen-Taktsteuerung und im oberen Leistungsbereich eine ausschließliche Vollwellen-Taktsteuerung vorliegen. Dabei kann eine extrem günstige Leistungsverstellung unter Vermeidung von Einschaltstrom­ stößen und hohen Impulsströmen erfolgen. Vorteilhafterweise eignet sich das vorliegende Steuerverfahren insbesondere zur Leistungsverstellung von niederohmigen Heizelementen mit vorgeschaltetem Transformator, die aufgrund ihres ge­ ringen Kaltwiderstandes in der Warmlaufphase eine Strombe­ grenzung erfordern, z. B. Verdampfverheizungen in Vakuuman­ lagen zur Metallbeschichtung.

Während bei einer reinen Phasenanschnittsteuerung das Pro­ blem einer stoßweisen Belastung durch den Phasenanschnitt besteht, was zu einer Beschädigung, beispielsweise der Ver­ dampferschiffchen der genannten Verdampferheizungen führen könnte, liegt ein Nachteil der reinen Vollwellen-Taktsteuerung darin, daß bei kleinen Leistungen die Strom­ flußzeiten immer kleiner werden, wobei jedoch die Strom­ spitzenwerte der Vollwellen immer gleich groß bleiben. Dies führt bei kleinen Leistungen zu hohen Impulsströmen, die ebenfalls schädlich sind. Die Erfindung schafft nun eine Leistungssteuerung, bei der einerseits bei kleinen Leistun­ gen hohe Impulsströme und andererseits stoßweise Belastun­ gen soweit wie möglich durch eine geschickte Kombination der Phasenanschnittsteuerung und der Vollwellen-Taktsteuerung vermieden werden. Bei großen Leistungen wird erfindungsgemäß das Netz nicht mit großen Phasenanschnitt­ winkeln belastet. Bei einer reinen Vollwellen-Taktsteuerung könnten die Verdampferschiffchen beim Hochheizen aus dem Kultwiderstand durch die genannten hohen Impulsströme der Vollwellen beschädigt werden.

Im folgenden werden die Erfindung und deren Ausgestaltungen Im Zusammenhang mit den Fig. näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung ein Block­ schaltbild einer Leistungsversorgungsein­ richtung, bei der das erfindungsgemäße Steu­ erverfahren zur Anwendung gelangt,

Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild der Impul­ serzeugung und der Reglereinrichtung der Fig. 1 und

Fig. 3 bis 7 Impulsdiagramme zur Erläuterung des erfin­ dungsgemäßen Steuerverfahrens.

Gemäß Fig. 1 weist die vorliegende Leistungsversorgungs­ schaltung 20 Netzanschlüsse L1, L2 auf, wobei die Netzspan­ nung den Anschlüssen 1, 2 einer Impulserzeugungsschaltung 21 zugeführt wird. Die Impulserzeugungsschaltung weist Aus­ gänge 3, 4, 5 und 6 auf, die mit einem Leistungsschalter 22, vorzugsweise einem Thyristor-Leistungsschalter, verbun­ den sind. Dieser Thyristor-Leistungsschalter 22 wird durch Steuerimpulse geschaltet, die den Ausgängen 3, 4, 5, 6 der Impulserzeugungsschaltung 21 aufgrund von Signalen am Aus­ gang 7 der Reglerschaltung 23 erzeugt werden. Zur Erzeugung dieser Steuersignale werden der Reglereinrichtung 23 an den Eingängen 8, 9 ein Signal T, das dem Istwert des Stromes an der Last 24 entspricht, und an den Eingängen 10, 11 ein Si­ gnal U, das dem Istwert der Spannung an der Last 24 ent­ spricht, zugeführt. Der Reglereinrichtung 23 werden an den Anschlüssen 12 und 13 die Sollwerte für den Strom und die Spannung zugeführt.

Das vorliegende Verfahren besteht in einer Kombination ei­ ner Phasenanschnittsteuerung und einer Vollwellen-Taktsteuerung. In einem unteren Leistungsbereich (bei z. B. 30% der maximalen Leistung) wird gemäß Fig. 3 ausschließ­ lich die Phasenanschnittsteuerung eingesetzt, bei der keine Vollwellen ausgetastet werden, sondern je nach Phasenan­ schnittwinkel nur ein Teil jeder Vollwelle erfaßt wird. Durch Verändern des Phasenanschnittwinkels kann in bekann­ ter Weise die erzeugte Leistung verstellt werden.

Ab einem bestimmten Leistungswert, der beispielsweise 40% der maximal aufzubringen Leistung entspricht, wird die Pha­ senanschnittsteuerung mit der Vollwellen-Taktsteuerung kom­ biniert. Dies bedeutet, daß in einem mittleren Leistungsbe­ reich von beispielweise 40% bis 50% der aufzubringenden ma­ ximalen Leistung ein kontinuierlicher Übergang zwischen den beiden Steuerverfahren stattfindet. Zu diesem Zweck wird in diesem mittleren Leistungsbereich der Phasenanschnittwinkel langsam von 40% Leistung auf 100% Leistung (Erfassung der ganzen Vollwellen) erhöht, während durch Austasten von Vollwellen eine Leistungsreduzierung auf 50% bewirkt wird. Die Kennlinien der Phasenanschnittsteuerung und der Voll­ wellentaktsteuerung sind derart gestaltet, daß die Gesamt­ leistung bei ohmscher Last linear von 40% bis 50% gestei­ gert wird. Die Fig. 4 und 5 zeigen beispielhaft Diagram­ me aus dem genannten mittleren Leistungsbereich, wobei der Phasenanschnittwinkel bei der Fig. 4 einer kleineren Lei­ stungserzeugung als beim Beispiel der Fig. 5 entspricht und wobei in beiden Fällen ganze Vollwellen ausgetastet werden.

Im oberen Leistungsbereich, beispielsweise ab 50% der maxi­ malen Leistung wird die Leistungsverstellung ausschließlich durch Austasten von Vollwellen erreicht. Die Netzsinuskurve wird also überhaupt nicht mehr angeschnitten. Dies ist am Beispiel der Fig. 6 dargestellt.

Schließlich zeigt die Fig. 7 ein Beispiel, bei dem 80% der Gesamtleistung aufgebracht wird und daher nur noch wenige Vollwellen ausgetastet werden. Bei der maximalen Leistung werden dann vorzugsweise überhaupt keine Vollwellen mehr ausgetestet.

Die kombinierte Leistungsverstellung wird von einem automa­ tisch ablösenden Stromspannungsregler gesteuert, wobei als Istwerte die Effektivwerte und die Spitzenwerte jeder Netz­ periode an den Anschlüssen 8, 9 und 10, 11 der Fig. 1 er­ mittelt werden. Ab vorzugsweise 40% Leistung werden mit Be­ ginn der Vollwellen Austastung die Reglerparameter umge­ schaltet und die Effektivwerte über mehrere Netzperioden gemittelt, um auch im Taktbetrieb ein stabiles Regelverhal­ ten zu erreichen.

Vorzugsweise schaltet die Vollwellen-Taktsteuerung zur Ver­ meidung hoher Magnetisierungsströme aufgrund von Eisensät­ tigung bei transformatorischer Last pro Impulspaket aus­ schließlich eine ungerade Anzahl von Halbwellen durch und tastet pro Impulspause ausschließlich eine gerade Anzahl von Halbwellen aus. Dadurch beginnt jeder Takt mit der ent­ gegengesetzten Polarität des vorhergehenden Taktes. Da die Steuerung im unteren Leistungsbereich den Phasenanschnitt benutzt, wird ein Einschaltstromstoß vermieden. Weiterhin werden dadurch hohe Impulsströme vermieden, die bei aus­ schließlicher Verwendung einer Vollwellen-Taktsteuerung in Verbindung mit einer niederohmigen Last und geringem Aus­ steuerungsgrad auftreten würden.

Im folgenden wird nun im Zusammenhang mit der Fig. 2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für die Steuerelektronik zur Impulserzeugung erläutert.

Das Schaltbild der Fig. 2 zeigt im wesentlichen einen obe­ ren, der Phasenanschnittsteuerung zugeordneten Zweig 30 und einen unteren, der Vollwellen-Taktsteuerung zugeordneten Zweig 40, die ausgangsseitig vorzugsweise über eine Multi­ pliziereinrichtung 50 miteinander verbunden sind, die ihre Signale miteinander mulitpliziert und einer mit ihr über eine Leitung 51 verbundenen Leistungsschalteinrichtung 52, bei der es sich vorzugsweise um eine Thyristor-Leistungsschalteinrichtung handelt, zuführt. Die Leistungs­ schalteinrichtung 52 erzeugt an ihren Ausgängen 3, 4, 5 und 6 (siehe auch Fig. 1) die zur Last 24 durchzuschaltenden Leistungsanteile.

Der Zweig 30 umfaßt im wesentlichen eine Phasenanschnitt-Steuereinrichtung 31, die über die Leitung 32 mit der Mul­ tipliziereinrichtung 50 verbunden ist und eine Linearisie­ rungseinrichtung 33, die mit ihr über die Leitung 34 ver­ bunden ist. In der Linearisierungseinrichtung wird bewirkt, daß die Phasenanschnittsteuerung im oberen Leistungsbe­ reich, d. h. also vorzugsweise im Bereich von 50% bis 100% der erzeugten Leistung, ein leistungsproportionales Verhal­ ten hat, was sie von Natur aus nicht besitzt. Die Vollwel­ len-Taktsteuerung besitzt dagegen von Natur aus ein Lei­ stungsproportionales Stellverhalten.

Im unteren Leistungsbereich, d. h. also bis 40% der maxima­ len Leistung, geht die Kennlinie der Linearisierungsein­ richtung 33 gegen 1, was bedeutet, daß das Verhalten der Phasenanschnittsteuerung nicht verändert wird.

Mit der Linearisierungseinrichtung 33 ist also erreichbar, daß die Kennlinien der Phasenanschnittsteuerung und der Vollwellen-Taktsteuerung so gestaltet sind, daß die Gesamt­ leistung bei ohmscher Last linear von 40% bis 50% gestei­ gert wird.

Den beiden Zweigen 30 und 40 ist eine Schalteinrichtung 53 vorgeschaltet, die entsprechend einer gewählten Kennlinie entscheidet, ab wann mit dem ausschließlichen Verstellen mit der Phasenanschnittsteuerung aufgehört wird und ab wann die Vollwellen-Taktsteuerung zusätzlich miteinsetzen soll. Zu diesem Zweck weist die Kennlinie der Schalteinrichtung 53 einen Knickpunkt KP auf. Bei Erreichen dieses Knickpunk­ tes KP wird am Ausgang 57, der mit der Linearisierungsein­ richtung 33 verbunden ist, ein Stellbefehl erzeugt, der aussagt, daß die Istwerte "geglättet" an den Strom- Spannungs-Regler 56, der der Schalteinrichtung 53 über die Leitung 7 vorgeschaltet ist, weitergeleitet werden. Die Glättungseinrichtung 55 ist über die Leitung 57 mit der Einrichtung 53 und über die Leitung 58 mit dem Strom-Spannungsregler 56 verbunden. Die genannten Istwerte werden der Glättungseinrichtung 55 über die Leitung 49 zugeführt, an der die Signale der Anschlüsse 8, 9, 10, 11 der Fig. 1 anliegen.

Die Glättung wird dadurch erreicht, daß vor der Weitergabe des Istwertes an den Strom-Spannungs-Regler 56 mehrere Ist­ werte auf summiert werden. Dadurch sollen bei der Vollwel­ len-Taktsteuerung auftretende Schwankungen, die auf das pe­ riodische Ein- und Ausschalten zurückzuführen sind, unter­ drückt werden.

Gleichzeitig wird das den Knickpunkt KP anzeigende Signal von der Leitung 57 auch an den Strom-Spannungs-Regler 56 angelegt, damit dieser so umgeschaltet wird, daß er mit den geglätteten istwerten aus der Glättungseinrichtung 55 sta­ bil arbeitet. Durch das Aufsummieren der Istwerte in der Glättungseinrichtung 55 wird nämlich bewirkt, daß wegen der verzögerten Weitergabe der Istwerte an den Strom-Spannungs-Regler 56 Unruhe in das System gelangt. Genauer gesagt, muß dem Regler 56 angezeigt werden, daß er nach dem Erreichen des Knickpunktes KP zunächst durch das Aufsummieren "veraltete" Istwerte bekommt, was durch die Trägheit des Reglers 56 ausgeglichen wird.

Die Schaltung der Fig. 2 weist ferner eine Dividierein­ richtung 59 auf, der über die Leitung 60 die Stellgröße der Strom-Spannungs-Regeleinrichtung zugeführt und über die Leitung 61 die Stellgröße der Phasenanschnittsteuerung zu­ geführt werden. Die Dividiereinrichtung erzeugt durch divi­ dieren der Stellgröße der Gesamtleistung durch die Stell­ größe der Phasenanschnittsteuerung an ihrem Ausgang 62 die Stellgröße der Vollwellen-Taktsteuerung, die der Vollwel­ len-Taktsteuereinrichtung 41 zugeführt wird, die ausgangs­ seitig über die Leitung 42 mit der Multipliziereinrichtung 50 verbunden ist. Dadurch, daß in der Dividiereinrichtung 59 als Stellgröße für die Vollwellen-Taktsteuereinrichtung das Verhältnis aus der Stellgröße der Gesamtleistung zu der Stellgröße der Phasenanschnittsteuerung über die Leitung 62 angelegt wird, wird erreicht, daß in der Multiplizierein­ richtung 50 die Leistung der Phasenanschnittsteuerung mit der Leistung der Vollwellen-Taktsteuerung multipliziert werden kann, weil vorher die Stellgröße der Vollwellen-Taktsteuerung an der Leitung 62 durch die genannte Tei­ lungsoperation in der Dividiereinrichtung 59 geteilt wurde.

Claims (11)

1. Steuerverfahren zur Leistungsverstellung ohmscher und ohmscher-induktiver Lasten, dadurch gekennzeichnet, daß in einem unteren Leistungsbereich eine Phasenanschnitt­ steuerung, in einem oberen Leistungsbereich eine Voll­ wellen-Taktsteuerung und in einem mittleren Leistungs­ bereich eine Kombination der Phasenanschnittsteuerung und der Vollwellen-Taktsteuerung angewendet werden.

2. Steuerverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der untere Leistungsbereich etwa bis zu 40% der maximalen Leistung reicht.

3. Steuerverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der mittlere Leistungsbereich von etwa 40% bis 50% der maximalen Leistung reicht.

4. Steuerverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der obere Leistungsbereich von etwa 50% bis 100% der maximalen Leistung reicht.

5. Steuerverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß im mittleren Leistungsbereich der Phasenanschnittwinkel allmählich vom Wert am Ende des unteren Leistungsbereiches bis zum Wert 180° der Vollwelle am Ende des mittleren Leistungsbereiches ver­ schoben wird.

6. Steuerverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Leistung dem Netz (21, 22) ein Leistungsschalter (22) nachge­ schaltet ist, dem von einer Impulserzeugungsschaltung Steuerimpulse zugeführt werden, die aufgrund von Signa­ len, die dem lastseitigen Istwert (I) der Leistung und einem Sollwert der Leistung in einer Reglereinrichtung (23) erzeugt werden.

7. Steuerverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß als Leistungsschalter (22) ein Thyristorschal­ ter verwendet wird.

8. Steuerverfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Reglereinrichtung (23) einen Strom-Spannungsregler (56) aufweist, dem an Eingängen (12, 13) Sollwerte für die Spannung und den Strom eingegeben werden, daß der Strom-Spannungsregler (56) an seinem Ausgang (7) eine Stellgröße der Gesamtleistung erzeugt, die einer Steuereinrichtung (31, 33, 41, 50, 53, 55, 59) zugeführt wird, die den Leistungsschalter (22) ent­ sprechend dem unteren, mittleren oder oberen Leistungs­ bereich über eine Phasenanschnittsteuerung (31) und/oder eine Vollwellen-Taktsteuerung (41) ansteuert, die ausgangsseitig über eine Verknüpfungseinrichtung (50) mit dem Leistungsschalter (52) verbunden sind.

9. Steuerverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Stellgröße der Gesamtleistung einer Schalteinrichtung (53) zugeführt wird, die im unteren und mittleren Leistungsbereich eine Stellgröße für den Phasenanschnittwinkel für die Phasenanschnitt Steuerung (31) und im mittleren und oberen Leistungsbereich eine Stellgröße für die Vollwellen-Taktsteuerung erzeugt.

10. Steuerverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Verknüpfungseinrichtung (50) eine Multi­ pliziereinrichtung ist, die die Signale der Phasenan­ schnittsteuerung (31) und der Vollwellen-Taktsteuerung (41) multipliziert, daß eine Dividiereinrichtung (59) vorgesehen ist, die die Stellgröße der Gesamtleistung des Strom-Spannungsreglers durch die Stellgröße der Phasenanschnittsteuerung dividiert und den Quotienten als Stellgröße der Vollwellen-Taktsteuerung (41) zu­ führt.

11. Steuerverfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (53) die Stell­ größe der Gesamtleistung des Strom-Spannungsreglers (56) mit einer einen Knickpunkt (KP) aufweisenden Kenn­ linie vergleicht und unterhalb des Knickpunktes (KP) durch eine Stellgröße der Phasenanschnittsteuerung das Signal für den Phasenanschnittwinkel erzeugt und ober­ halb des Knickpunktes (KP) mit der Stellgröße der Pha­ senanschnittsteuerung die Anzahl der auszutastenden Vollwellen bestimmt.