DE2062508A1 - Halbleiter-Wechselstrom-Stellglied - Google Patents

Halbleiter-Wechselstrom-Stellglied

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DE2062508A1 DE19702062508 DE2062508A DE2062508A1 DE 2062508 A1 DE2062508 A1 DE 2062508A1 DE 19702062508 DE19702062508 DE 19702062508 DE 2062508 A DE2062508 A DE 2062508A DE 2062508 A1 DE2062508 A1 DE 2062508A1
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Description

K 1997 FP-Dr.Kn-df 15. Dezember 1970
Beschreibung zur Anmeldung der
KALLE AKTIENGESELLSCHAFT Wiesbaden-Biebrich
für ein Patent auf
Halbleiter-Wechselstrom-Stellglied
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiter-Wechselstrom-Stellglied zum Regeln bzw. Steuern von Lasten und das entweder proportional, digital oder über Kontakt gesteuert wird. Das Stellglied ist vorzugsweise zur Regelung von Extruderheizungen oder in der Steuerungstechnik elektronischer Steuerungssysteme verwendbar.
Bei der Steuerung, insbesondere der Temperaturregelung, von elektrisch beheizten industriellen Regelstrecken liegt die
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Aufgabe vor, die Energiezufuhr mit einem geeigneten Stellglied in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Reglers genau zu dosieren.
Diese kann in bekannter Weise unter Verwendung eines elektromagnetischen Schützes geschehen, mit dem die direkt an der Netzwechselspannung liegenden Heizbänder oder Heizwicklungen eingeschaltet werden, wobei das Schütz von. einem Zweipunktregler gesteuert wird.
Seit dem Aufkommen der Einrichtungs- und Zweirichtungsthyristoren ist die Möglichkeit gegeben, die Nachteile des Schützes, wie z.B. Geräusch, hoher Bedarf an Steuerleistung, vor allem aber seine begrenzte Lebensdauer, zu vermeiden und Wechselströme mit Halbleiterstellgliedern hoher Zuverlässigkeit zu schalten. Es sind Schaltungen bekannt, die im Ein-Aus-Betrieb arbeiten, wobei das Einschalten mit unbestimmter Phase erfolgt.
Andere, ebenfalls bekannte, Verfahren gestatten es, die Leistung kontinuierlich zu verändern, indem der Phasenanschnittwinkel gesteuert wird. Das Einschalten mit unbestimmter Phase oder mit Phasenanschnitt erzeugt hohe Stör-
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spannungen, die die Zuverlässigkeit komplexer elektronischer Anlagen in Frage stellen können, ganz abgesehen davon, daß die Thyristoren unter Umständen unzulässig hoch belastet werden.
Im folgenden soll auf die einzelnen Verfahren und Schaltungen näher eingegangen werden, wobei auch die einzelnen anhaftenden Mängel aufgeführt werden.
Die Vorteile des Einschaltens mit Phasenanschnitt liegen auf der Hand, da sie eine einfache Schaltung für die Ansteuerung des Leistungshalbleiters mit größtmöglicher Stellfrequenz betrifft. Demgegenüber sind jedoch erhebliche Nachteile zu nennen. Der Kristall des Triacs oder Thyristors ist erhöhten Beanspruchungen unterworfen, die bei der Dimensionierung berücksichtigt werden müssen. Weiterhin wird durch den Phasenanschnitt eine beträchtliche Störaussendung erzeugt, zu deren Unterdrückung zusätzlicher Aufwand betrieben werden muß. Gerade für Anwender, die Prozeßrechner einsetzen, ist es von großer Bedeutung, die Störspannungen so gering wie möglich zu halten, um eine Beeinflussung zu vermeiden. Nachteilig ist außerdem, daß selbst bei Widerstandslast ein vom Phasenanschnittwinkel abhängiger Blindstrom erzeugt wird. Bei größeren Installationen
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-.4 -■
ist dies ein nicht zu vernachlässigender Paktor für die ■ Auslegung der elektrischen Anlagen. Wegen dieser Nachteile kommt der Phasenanschnitt für das Stellen insbesondere elektrischer Heizungen nicht •in Betracht.
Die Impulsausblendung arbeitet mit der Bildung des laufenden Mittelwertes. Hierbei wird ständig der Mittelwert der geschalteten Leistung gebildet und über eine Rückführung mit dem Eingangssignal verglichen. Das daraus abgeleitete Fehlersignal bewirkt, daß die Schaltung jeweils bei Bedarf eine ganze Welle der Netzspannung einschaltet, bis Gleichgewicht zwischen Eingangssignal und Mittelwert der Ausgangsleistung herrscht.
Das Verfahren der Impulsausblendung ist nach der Phasenanschnittsteuerung die beste Näherung des stetigen Stellens. Es eignet sich gut für Widerstandslast, bei induktiver Komponente der Last wird jedoch der Leistungshalbleiter stärker beansprucht als bei der Impulsgruppenschaltung. Bei induktiver Last tritt bekanntlich beim Einschalten ein erhöhter Ausgleichsstrom auf. Bei der Impulsgruppenschaltung mit einer Zeitbasis von 2 s erfolgt das Einschalten nur alle 2 S9 während beim Impulsausblenden durch Bilden
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des laufenden Mittelwertes bei einem Stellgrad von 50$ das Einschalten alle 40 ms auftritt. Das bedeutet, daß praktisch ständig der hohe Ausgleichsstrom vom Leistungshalbleiter bewältigt werden muß.
Wesentlich für die elektrische Beanspruchung des Leistungshalbleiters ist dessen kontrollierte Einschaltung. Das Einschalten des Leistungshalbleiters im Nulldurchgang der Netzwechselspannung gehört ebenfalls zum Stand der Technik. Die Kristallbeanspruchung ist hier gering, die HP-Störaussendung wird weitgehend vermieden, bei Widerstandslast wird kein Blindstrom erzeugt. Dafür müssen als Nachteile größerer Aufwand für die Ansteuerschaltung sowie eine geringere Stellfrequenz in Kauf genommen werden. Das Einschalten im Spannungs-Null-Durchgang ist bei der Impulsgruppenschaltung anzustreben, bei der Impulsausblendung kommt ohnehin nichts anderes in Frage.
Es war deshalb Aufgabe der Erfindung, ein kontaktloses Stellglied zu schaffen, das universell einsetzbar ist und das im wesentlichen unter Vermeidung der Nachteile der vorstehend genannten Schaltungen die folgenden Forderungen erfüllen soll. Eine der Forderungen besteht darin, das Wechselstromnetz nicht mit Gleichstrom zu belasten. Dies
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ist durch besondere Schaltungsmaßnahmen sicherzustellen. Triacs oder Thyristoren gehen vom leitenden in den gesperrten Zustand über, wenn der Strom auf Null abnimmt. Ein wahlloses Schalten positiver oder negativer Halbwellen hat dann zur Folge, daß dem Netz eine ungleiche Anzahl von positiven oder negativen Stromhalbwellen entnommen wird. Als Mittelwert ergibt sich somit eine Gleichstromkomponente, die zu einer einseitigen Magnetisierung von Transformatoren in der Starkstromanlage führen kann. Soll dies verhindert werden, so dürfen nur ganze Sinuswellen geschaltet werden.
Das unerwünschte Einschalten des Triacs oder Thyristors durch Spannungsspitzen muß sicher verhindert werden. Diese können aus dem Netz kommen oder vom Leistungshalbleiter selbst beim Abschalten induktiver Last verursacht werden. Durch geeignete Maßnahmen muß die Spannungsanstiegsgeschwin* digkeit über dem Leistungshalbleiter auf das zulässige Maß begrenzt werden«
Der Triac oder Thyristor wird in der Regel in der Nähe der zulässigen Belastungsgrenzen betrieben, daher ist eine Absicherung gegen Kurzschluß und überlastung erforderlich.
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Eine weitere wünschenswerte Maßnahme liegt in neuerer Zeit darin, möglichst viele Industrieverfahren über Prozeßrechner zu steuern. So nimmt beispielsweise der Einsatz von Prozeßrechnern für die Regelung von KunststoffVerarbeitungsmaschinen immer mehr zu. Um den Aufwand gering zu halten, sollen die Wechselstromstellglieder direkt vom Rechner angesteuert werden. Hier ist das elektromagnetische Schütz ungünstig, da es einer ■großen Steuerleistung bedarf. Zwischen Ausgang des Rechners und Schütz müßten daher Glieder zur Leistungsverstärkung geschaltet werden. Es erscheint deshalb sinnvoll j einen Wechselstromschalter auf elektronischer Basis zu schaffen, der direkt vom Rechner erregt werden kann und dessen Lebensdauer unabhängig von der Schaltzahl ist.
Der Einsatz von Prozeßregelsystemen nimmt bei größeren Anlagen mehr und mehr zu. Aus Gründen der Einheitlichkeit sollen beispielsweise auch die Temperaturregelkreise der Extruder mit analogen Systemreglern ausgerüstet werden. Das Ausgangsmaterial dieser Regler ist ein stetiger, eingeprägter Gleichstrom von O bis 20 mA. Damit kann aber kein digital arbeitendes Stellglied angesteuert werden.
Erschwerend ist weiterhin die Tatsache, daß sowohl ohmsche
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als auch induktive Heizungen vorkommen. Die Mehrzahl der auf dem Markt verfügbaren elektronischen Stellglieder können nur reine Widerstandslast bewältigen. Es werden deshalb Geräte benötigt, die auch induktive Last mit einem Leistungsfaktor bis herab zu etwa 0.7 schalten können.
Gelöst wird die vorstehend genannte Aufgabe durch ein Halbleiter-Wechselstrom-Stellglied insbesondere- zur Regulierung von Heizvorgängen, wobei die Last über einen Lastschalter mittels eines Halbleiterstellgliedes in Form einer integrierten Schaltung bestehend aus Eingangsverstärker- und Vergleichsstufe, Impulsschalter und einer Synchronstufe, die die über die Last abfallende Spannung an den Impulsschalter zurückmeldet, geschaltet wird und das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Eingangsverstärkerstufe des integrierten Schaltkreises bei digitaler Ansteuerung mittels einer elektronischen Steuerung ein Gleichspannungswandler, bei proportionaler Ansteuerung ein Gleichspannungswandler und ein Sägezahngenerator und bei Kontaktansteuerung eine entsprechende Anpassung vorgeschaltet ist, wobei die Schaltung in an sich bekannter Weise nur im Nulldurchgang der Netzspannung und nur in Netzhalbwellen mit gerader Anzahl erfolgt und wobei die Potentialtrennung zwischen Last- und Signalkreis nur
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durch einen einzigen übertrager vorgenommen ist.
In bevorzugter Ausführung, vor allem zur Steuerung von induktiven Lasten, erfolgt die Schaltung der Netzhalbwellen mittels Impulsgruppenschaltung.
Im folgenden werden die eingesetzten Teile näher beschrieben. Das elektrische Einheitssignal der Regelungstechnik wird in einem Gleichspannungswandler in einer der Schaltung entsprechende Gleichspannung umgewandelt. Der Gleichspannungswandler selbst besteht aus einer Sperrschwingerschaltung mit übertrager. Die entstehende Wechselspannung wird an der Sekundärwicklung des Übertragers abgenommen, gleichgerichtet und geglättet. Die Prüfspannung zwischen Primär- und Sekundärwicklung kann variabel sein, sie beträgt, gemäß den einschlägigen Sicherheitsbestimmungen, derzeit 2.5 kV.
Als Sägezahngenerator wird ein Halbleiterbauelement mit ausgeprägter Schwellwertcharakteristik und negativer Kennlinie in Verbindung mit einem zeitbestimmenden Schaltelement (Widerstand + Kondensator) benutzt. Die Ladekurve des Kondensators wird durch eine geeignete Einrichtung, die einen konstanten Ladestrom liefert, linearisiertv Die Aufladung des Kondensators ist damit streng
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proportional mit der Zeit. Erreicht die Ladespannung des Kondensators die dem Halbleiterbauelement vorgegebene Schwellwertspannung, so wird der Kondensator schlagartig entladen, das Halbleiterbauelement sperrt, und der Aufladevorgang beginnt von neuem.
Als Periodendauer dieses Lade- und Entladevorganges wählt man eine Zeit, die größer ist als die thermische Zeitkonstante des Regelkreises. Die Periodendauer kann durch externe Beschaltung des Halbleiterelementes den verschiedenen Erfordernissen angepaßt werden. Da nur fortlaufende Netzhalbwellen von gerader Anzahl gemäß der Erfindung geschaltet werden sollen, erreicht man bei einer Netzfrequenz von z.B. 50 Hz und einer Periodendauer von 2 s eine Auflösung in Abhängigkeit von der Eingangsspannung von 1%.
Das erfindungsgemäße Stellglied ist geeignet, sowohl leicht φ kapazitive, rein ohmsche als auch induktive Lasten mit
beliebigem Leistungsfaktor zu schalten. Die Fähigkeit zum Schalten induktiver Lasten wird z.B. bei Verwendung von Wirbelstromheizungen zwingend gefordert.
Wenn auch mit dem erfindungsgemäßen Stellglied grundsätzlich alle Steuerungsvorgänge, wie z.B. Motoren- und
Magnetventil-Steuerungen vorgenommen werden können, so hat
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sich im praktischen Einsatz das Stellglied vor allem in der Steuerung der Temperaturen von Schmelzen bewährt. Vor allem wurden bei thermoplastischen Schmelzen vorzugsweise die Temperatursteuerung von Extrudern, Schmelzleitungen, Düsen usw. mit dem erfindungsgemäßen Stellglied gesteuert.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Abbildungen nochmals näher dargestellt, ohne jedoch auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt zu sein.
Abb. 1 zeigt das Blockschaltbild mit Pulsdauermodulation
(Proportionalansteuerung), Abb. 2 mit digitaler Ansteuerung, Abb. 3 mit Kontaktsteuerung.
Abb. 4 zeigt die Schaltung des integrierten Schaltkreises. Abb. 5 ist das Blockschaltbild der Temperatursteuerung der Heizwicklungen eines Extruders.
Abb. 1
Das vom Temperaturfühler 1 ausgehende Signal wird dem Temperaturregler 2 mit analogem Ausgangssignal zugeleitet. Das Signal läuft über einen Gleichspannungswandler 3 in die Eingangsverstärker- und Vergleichsstufe 5 in den Impulsschalter. Ebenso ist ein Sägezahngenerator 4 mit der
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Stufe 5 verbunden. Der Impulsschalter 6 steuert über den Lastschalter 8 die Last 9· Die zwischen Lastschalter 8 und Last 9 vorhandene Spannung wird der Synchronstufe 7 zurückgemeldet. Ph bedeutet Phase, MP Mittelpunktleiter.
Abb. 2 Hier wird der Gleichspannungswandler 3 über ein elektronisches Steuersystem la digital angesteuert, wobei der Sägezahngenerator entfällt. Ansonsten gleicht die Schaltung der gemäß Abb.
Abb. 3 In dieser Schaltung wird über den Kontakt Ib oder eine sonstige elektrische Steuerung eine entsprechende Anpassung 10 (Dioden, Widerstände, Kondensatoren) angesteuert.
Die übrige Schaltung entspricht Abb.
Abb. 4 Hier ist die Schaltanordnung des integrierten Schaltkreises dargestellt, wobei Q1 und Q2 die Eingangstransistoren bedeuten.
Abb. 5 Die vom Temperaturfühler aufgezeigte Temperatur wird analog
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dem Regler zugeführt, der seinerseits in diesem Fall die Stellglieder A, B, C steuert. Diese Stellglieder regulieren die Heizwicklungen a, b, c des Extruders. R, S T sind die Phasenbezeichnungen des Drehstromnetzes. Die Stellglieder entsprechen der Anordnung gemäß Abb.
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Claims (3)

  1. Patentansprüc he
    ..) Halbleiter-Wechselstrom-Stellglied zur Steuerung von Lasten, insbesondere zur Regulierung von Heizvorgängen, wobei die Last über einen Lastschalter mittels eines Halbleiterstellgliedes in Form einer integrierten Schaltung, bestehend aus Eingangsverstärker- und Vergleichsstufe, Impulsschalter und einer Synchronstufe, die die über die Last abfallende Spannung an den Impulsschalter zurückmeldet, gesteuert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsverstärkerstufe des integrierten Schaltkreises bei digitaler Ansteuerung mittels einer elektronischen Steuerung ein Gleichspannungswandler, bei proportionaler Ansteuerung ein Gleichspannungswandler und ein Sägezahngenerator und bei Kontaktansteuerung eine entsprechende Anpassung vorgeschaltet ist, wobei die Schaltung in , an sich bekannter Weise nur im Nulldurchgang der Netzspannung und nur in Netzhalbwellen mit gerader Anzahl erfolgt und wobei die Potentialtrennung zwischen Last- und Signalkreis nur durch einen einzigen übertrager vorgenommen wird.
  2. 2. Stellglied nach Anspruch Ij dadurch gekennzeichnet,
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    daß die Schaltung der Netzhalbwellen über eine Impulsgruppenschaltung erfolgt.
  3. 3. Verwendung eines Stellgliedes nach einem der Ansprüche 1 oder 2 zur Temperatursteuerung von Schmelzen, insbesondere thermoplastischen Schmelzen.
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