DE2018830A1 - Schaltungsanordnung zur Leistungsregelung eines elektrischen Wechselstromverbrauchers - Google Patents

Description

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Berlin, den 14, Api"ix "hi

EUROPAEISCHE ATOMGEMEINSCHAFT (EURATOM)

Patentanmeldung

Schaltungsanordnung zur Leistungsregelung eines

elektrischen Wechselstromverbrauchers

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Leistungsregelung eines elektrischen Wechselstromverbraucliers. Solche Regelanordnungen besitzen zwischen der Leistungsquelle, z.B. einem stabilisierten Netzgerät, und dem Verbraucher, beispielsweise einem elektrisch geheizten Ofen, ein Stellglied, das heute vielfach binär wirkt. Es wird also die Gesamtleistung oder ein fester Teil davon zeitweise dem Verbraucher vorenthalten. Das Zeitverhältnis zwischen durchgeschalteter Leistung

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und abgetrenntem Verbraucher wird ^emäß der gewünschten Regelung verändert. Als Stellglied dient beispielsweise ein i'l:yrutron oder eine Antiparallelschaltung zweier Thyratrons.

Bei Betrieb einer solchen Schaltungsanordnung mit Wechselstrom ist es üblich, die Schaltkadenz des Stellglieds mit der Wechselspannung derart zu synchronisieren, d^-s von jeder V/ecLselstromhalbwelle nur ein Teil auf den Verbraucher durchgeluc.-.en v/ird. In der Mitte des Regelbereichs wird das Stellglied bei j eiern Nulldurchgang und jedem Maximum baw. Minimum der Wechaelspunnung umgeschaltet, während am oberen Ende des Regelbereichs Zv.r.t die ganze Halbwelle durchgelassen wird.

Für hohe Anforderungen an die Stabilität, die Genauigkeit und die Reaktionsfähigkeit der Regelung ist es wichtig, da.3 die Regelsteilheit über den ganzen Regelbereich weitgehύ-η 1 konstant ist, was besonders für den proportionalen Anteil an dor Regelwirkung gilt» Ist die Gesamtch&rakteristik der Regelung jedoch eine Fl oder PID-Charakteristik, dann verringert sich ass oberen Rand des Regelbereichs die Regelsteilheit des proportionalen Anteils so weit, daß eine prompte Regelv.'irkung nicht :r,3hr hinreichend erzielt werden kann. Man hat daher bereits Regelkreise mit zwei getrennten Stellgliedern für den integralen und den proportionalen Regelanteil entv/orfsn, in donc-n nur der letztere Anteil :vuf ein binares Stellglied der obenerwähnten Art einwirkt, während der integrale Antsil einen yor^jscirAlret-.-n Regel-Transformator kontinuierlich beeinflußt.

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Die Erfindung löst die; Aufgabe, untor Vorzieht auf den teueren Regeltransformator trotz Vorhandenseins eines integralen Regclanteils für den proportionalen Anteil einen gro3en und konstanten Regelbereich sicherzustellen.

Die Erfindung b.zi<_ht eich auf eine Schaltungsanordnung zur Leistungsregelung eines elektrischen W^chs-lstroiaverbrauchurs, bestehend aus -inern zwischen der Lvistungsquelle und dem Verbraucher angeordneten binären Stellglied, einem Komparator, in dom eine Regelspannung aus einem Vergleich von Soll- und Istwert gebildet wird, und einer Steuereinheit, in der aus der. Rcgelspannung e-inv phusc-nsynckrone Stellspannun^ erzeugt wird.

Geisel? der Erfindung bildet die Steuereinheit zwji verschiedene, gleichzeitig auf das Stellglied einwirkend.; Stullspannungen, von denen die erste die Lcitduuor des Stellglieds innerhalb einer Wochsclstrouperiodc variiert, während die zv.-eito eine periodische Leitdauer bewirkt, die stets einer oder «,inbrr. ganzzahligen Vielfachen einer vrechselstronperiodo entspricht.

In einer möglichen Ausführungsform der Erfindung werden die beiden Stellspannungon den aus einen Ein-Ausschclter bestehenden Stellglied in überlagerter Form zugeführt derart, da.· die erste Stellspannung nur dann wirksijr. wird, wenn der Schalter nicht auf Grund der zweiten Stellspannung leitend ist. lL.n kann jedoch auch gomä3 einem anderen Ausführun^sbeisriel d^r Erfindung das Stellglied mit zwei zueinander parallelen Ein-ausschaltern realisieren, die von je einer der beiden Stellspannungen gesteuert werden.

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Vorzugsweise ist die Regelcharakteristik der ersten Stellspannung überwiegend proportional, während die dor zweiten Stellspannung vorwiegend integral ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren 1-3 näher erläutert« Eg zeigen!

Figur 1 das Blockschaltbild einer Schaltungsan-

Ordnung gemäß der Erfindung,

Figur 2 einige erläuternde Zcitdiagraume, und Figur 3 eine Ausführungsform des Stellglieds.

In Figur 1 ist ein Leistungakreis dargestellt, der aus einer Leistungsquelle, z.B. einem stabilisierton Wechselstrom-Netzgerät i, aus einem Leistungsvorbraucher 2, z.B. dor elektrischen Heizwicklung eines Ofens, und uue einer- Stellglied zwischen der L-istungsquello und dem Verbraucher bostiht. Dieses Stellglied ist in der Figur aus zwei Ein-Ausr.chaltern 3 und k bestehend dargestellt. In der Praxis werden hierfür Schaltröhren oder Schalt-Halbleiter (Thyratrons oder Thyristoren) eingesetzt, vorzugsweise ein Paar solcher Elemente in Antiparallelschaltung für jeden Ein-Ausschalter.

Wie in bekannten Regelkreisen ist auch hier ein Sensor 5 vorgesehen, der die der Regelung S'agr-aride liegende· physikalische Größe mißt; das kann beispielsweise die Temperatur des genannten Ofens oder die Spannung ara Verbraucher sein. Das von Sensor

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kommende Signal wird in einem Komparator 6 wie in bekannten Regelkreisen mit einem Soll-Wert verglichen, woraus eine Regelspanrmng gebildet wird, deren Amplitude der Regelabweichung proportional sein soll. Diese Regelspannung wird, wie üblich, ■ einem Frequenzfilter 7 zugeführt, in dem die gewünschte Regelcharakteristik und Regeldynainik eingestellt ist. In der Figur 1 ist durch das Symbol in dem Filter 7 angedeutet, daß es sich hierbei um eine integrale, verzögerte Regelwirkung handeln soll. Hinter dem Filter 7 liegt dann schließlich noch eine Steuereinheit 8, die die Regelspannung in eine Stellspannung für den Schalter des Stellglieds umwandelt. Handelt es sich wie erwähnt um ein Thyratron, dann erzeugt diese Steuereinheit einen Zündirapuls, und zwar in geeigneter Phase mit der Wechselspannung der Leistungsquelle 1. Das Thyratron löscht selbsttätig, wenn die Mechselspannungsamplitude eine bestimmte Schwelle unterschreitet. Ueblicherweise wandelt die Steuereinheit 8 die Regelspannung in eine Phasenverschiebung des Zündzeitpunkts um: je größer die Regelabweichung ist, umso größer wird die Leitdauar des Stellglieds innerhalb einer Wechselstromperiode.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung unterscheidet sich von konventionellen derartigen Anordnungen durch das Vorhandensein einer zweiten Regelschleife, der hier eine besondere Steuereinheit 9 zugeordnet ist und die auch von der aus dem Komparator stammenden Regelspannung gespeist wird. Im Stellglied ist dieser Steuereinheit ein separater Ein-Ausschalter k zugeordnet, der, wie erwähnt, zu dem Ein-Ausschalter des anderen Rjgölkreises

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parallel liegt. Auch die Steuereinheit ^{j ist von an sich bekannter Bauart und Funktion, da sie die Regelsprnnung auch in eine Phasenverschiebung des Zündzeitpunkts umwandelt.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung iot diu Synchronisierung einer der Steuereinheiten, vorzugsweise dor Steuereinheit 8 im integral wirkenden Regelkreis (der andere- Regelkreis arbeitet mangels Frequenzfilter proportional), nicht -.m die Phasenverschiebung innerhalb einer WechselotroMporiodo gebunden, sondern diese Steuereinheit öffnet den zugehörigen Schalter 5 des Stellglieds jeweils während einer ganzen od-.-r tiehrurer ganzsn Wechselstromperioden. Anhand von Figur d. s-i dies klargestellt. Das oberste Diagramm dieser Figur stellt die von dtr Leistungsquelle 1 gelieferte sinusförmige, unmoduliert^ v/eshoolspannung A dar. Darunter ist das Stellsisn-.l 3 v/iedorgtigebon, du,; in der

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Steuereinheit ß gebildet wird. Der zugehörige Schr.ltjr soll stets dann geschlossen sein, wenn da.: Stellsi^nal holies Potential aufweist» Wie die Figur zeigt, ist dieser Sch-r.ltür ;1εο -./'dhrend zweier Wechselstror.:perioden geschlossc-n und dann v/ährend dreier Wechselstroraperioden geöffnet. Selbstverständlich ändert sich das Verhältnis der Anzahl von Wechselstromperioden, in d-nen der Schalter geschlossen ist, zu denen, indem er geöffnet ist, auf Grund der Amplitude der Regelspannung, und z-./ar entweder derart, daß die Löitdauer zwischen zwei Spe-rrperiodc-n immer gleich lang ist, während sich die Wiederholungsfrequenz eines aus einem Oeffnen und einen· Schließen b^sfcvhcndon Regelzyklus verändert, oder indem die Zyklusdauer konstant bleibt und sich

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nur das Schsltverhältnis innerhalb eines Zyklus ver'dndert.

In dem darunter dargestellten Zeitdiagranim ist die Stellsp-nnung C der Steuereinheit 9 im proportionalen Regelkreis wiedergegeben. Hier ist ein aus dem Qeffnen und Schließen des Schalters b bestehender Regelzyklus stets so lang wie eint Wechsalstror.;-Il ilbperiodf. Je n;;ch der ürö3ü der Rccolspannung wird dieser Schalter also während eines größeren oder kleineren Bruchteils einer WechseIstrom-Halbperiode geschlossen sein. Da die beiden Schalter des Stollglieds b und k zueinander parallelgeschaltet sind, ergibt sich am Verbraucher 2 ein resultierender Spannungsverlauf D, wie er im untersten Zeitdiagramm in Figur 2 dargestellt ist. Man erkennt, daß der Vorlauf des WechofletroDS unverändert ainusföruig ist, solange der Schalter 3 geschlossen ist (Diagrams B). Daß während dieser Zeit der Schalter 't wiederholt seinen Zustand ändert, beeinflußt den Verbraucher nicht.

Solange jedoch, der Scheiter ,5 nicht leitend ist, bestimmt sich der Spannungsverlauf am Verbraucher 2 allein nach dem proportionalen Hegelkreis. Vorzugsweise sind die Regelkreise so aufeinander abgestimmt, daß im stabilen dynamischen Gleichgewicht, d.h. in Abwesenheit plötzlicher StSreinflüsse, der Zündzeitpunkt der Proportional-Regelschleife =it den Haxiauci und deni l.inir.ua des Wechselstonis koinzidiert» Dann hat nan einen synnietrisch konstanten optimalen Regelbereich fUr mögliche StöreinflUsse.

Hätte nan den proportionalen· und den integralen Eegelanteil 1201/69 d/XIII/1>23 - S -

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wie üblich so kombiniert, daß beide den Phasenwinkel des Zündzeitpunkts verstellen, dann würde der Regelbereich für den proportionalen Anteil bei großem integralen Anteil sehr klein werden, da dann der Zündzeitpunkt auf Grund des integralen Anteils weit in Richtung des Nulldurchgangs des Wechselstroms verschoben würde. Wenn der gesagte Regelbereich s&hr groß ist, dann kann auf diese Weise eine gefährliche Regelschwingung entstehen, die nur langsam abklingt. Die Erfindung vermeidet diesen Nachteil.

^ Es ist offenbar, daß die durch die Erfindung erreichte gegenseitige Unabhängigkeit der beiden Regelanteile dazu benutzt werden kann, das Gesamtregelverhalten durch getrennte Regelverstärker mit unterschiedlichen Verstärkungsgraden so zu beeinflussen, daß in bezug auf den Verbraucher optimale Bedingungen erzielt werden.

Wenn auch der Aufwand für die Verdoppelung der Regelkreise auf den ersten Blick groß erscheint, so braucht man in der Praxis nur eine zusHtzliche Steuereinheit 9, während die beiden Schalter k des Stellglieds zu einem einzigen Schalter zusammengefaßt v/erden

können, wenn die Stellsignale der beiden Kreise durch Ueberlagerung in disjunktiver Verknüpfung zu einem Stellsignal zusammengefaßt werden. Diese Möglichkeit ist in Jigur 3 angedeutet. Hier ist als Stellglied nur ein einziger Thyristor 10 im Leistungskreis zwischen der nicht dargestellten Leistungsquelle und dem Leistungsvexöraucher eingefügt. Die Stellsignale der beiden Kreise werden zwei voneinander getrennten Spulen 11 und 12 eines

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Wechselstromübertragers zugeführt, dessen sekundäre Spule 13 das überlagerte geraeinsame Stellsignal der Zündelektrode des Thyristors zuführt. Natürlich kann die Ueberlagerung auch in Widerständen erfolgen, wenn dies das Arbeitspotential der Zündelektrode zuläßt.

Bezüglich der praktischen Realisierung der in Figur 1 dargestellten Funktionseinheiten kann auf den reichhaltigen Stand der Technik verwiesen werden. Insbesondere ist die Erfindung nicht auf eine bestimmte Technologie, z.B. die Halbleiter-Technik, beschränkt. Weiter läßt sich die erfindungsgeraäße Schaltungsanordnung ganz generell zur Leistungsregelung eines Wechselstronverbrauchers verwenden, ob das nun ein wärmeerzeugender Verbraucher (Ofen) oder ein Verbraucher ist, der die elektrische Energie in eine andere Energieform umwandelt. Weiter ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, daß das Stellglied in Serie im Leistungskreis liegt; es könnte durchaus auch parallel zum Verbraucher angeordnet sein und die überschüssige Energie am Verbraucher vorbei in einen Verlustwiderstand leiten. Schließlich könnte auch parallel su den Schaltern des Stellglieds noch ein Y/iderstand angeordnet sein, durch den zwar der Regelbereich insgesamt verkleinert wird, der aber dafür den großen Anteil hoher Frequenzen am Verlauf des Stroms im Verbraucher verringert.

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Claims (3)

1. Patentnnsprüchu ZUI 8830

   M.!Schaltungsanordnung zur Leistungsregelung eines elektrischen V/echselstomverbrauchers, bestehend aus einen; zwischen tk-r Leistungsquello und den Verbraucher angeordneten bin"rt;n stellglied, einem Komparator, in den. eine Regulspannung -\a.: uiru^i Vergleich von Soll- und Ist'»;ert gebildet wiri, und einer Staue-reinheit, in der aus der Ejffolspinnung eine phas asynchron-Stellspannung erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, drji dio Steuereinheit zv/ei verschiedene gleichzeitig auf dr.s Stell^lic-d einwirkende Stellspannungen (C,B) bildet, von denen diu erste- (G) ™ die Leitdauer des Stellglieds innerhalb einer Wechcc'lotror..periodo

   variiert, während die zweite (5) eine periodische Loitdaucr bewirkt, die stets einer oder einen ganszahli^en Violf-.chen· einer V/echselstromperiode entspricht.
2. 2. Schaltungs-.nordnung nach Anspruch 1, dadurch gi-kijnnzoichnvt, dc.2 die beiden Stellspannungen (3,C) dom :-.yj ^iner.i Ein-Au3sch'..lter (10) bestehenden Stellglied in überlagerter Forr.; zu^ .-fuhrt werden derart, diü die orste Stallspannung nur dann wirks\f.i wiri, wenn der Schalter nicht auf Grund dur zweiten Stellapannun;?

   ' leitend ist· (Fig.3)·
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da.3 das Stellglied aus zv/ei zueinander parallelen Ein-Ausschaltern (3,^) besteht, die von je einer der beiden Stellspannungen gesteuert werden.

   k. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regalch^rr&teristik dsr ersten Stellspannung vorwiegend proportional, während die der zweiten Stellspannung vorwiegend integral isfe«

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