DE2202010A1

DE2202010A1 - Stromversorgung mehrphasiger elektromagnetischer Geraete mit vollstaendigen Wellen

Info

Publication number: DE2202010A1
Application number: DE19722202010
Authority: DE
Inventors: Caen Claude Nephtale
Original assignee: Francaise du Ferodo SA
Current assignee: Valeo SE
Priority date: 1971-01-15
Filing date: 1972-01-17
Publication date: 1972-07-27
Also published as: FR2122022A5; US3764890A; ES398875A1; IT949375B; GB1383250A; DE2202010C2

Description

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8962 - Case CYB A 31

Be s ehre ibung zum Patentgesuch

der Firma SOCIETE ANONYME FRANCAISE DU FERODO Paris / Frankreich

betreffend

"Stromversorgung mehrphasiger elektromagnetischer Geräte mit vollständigen Wellen"

Priorität: 15. Januar 19 71 - FRANKREICH

Die Erfindung betrifft die Technik der Regelung elektrischer Leistung, die einem elektromagnetischen Mehrphasengerät mit Hilfe von Thyristoren zugeführt wird, die mit vollständigen Wellen arbeiten.

Eine Möglichkeit zur Regelung elektrischer Leistung mit Thyristoren, als Regelung mit vollständigen Wellen oder Halbwellen bezeichnet, besteht darin, die "Belastbarkeit"

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des Thyristors oder das Verhältnis der Zeiten, während welcher die Thyristoren leiten und dem Verbraucherstromkreis die Speisespannung zuführen und der betrachteten Gesamtzeit variieren zu lassen. Diese Bezeichnung rührt daher, daß die Thyristoren vorzugsweise aber nicht zwingend, während der vollständigen Perioden oder Halbperioden der Speisewechselspannung leitend gemacht werden.

Wenn die mittels eines solchen Systems mit vollständigen Wellen geregelte Leistung durch ein zwischen die Thyristoranordnung und den Verbraucher geschaltetes elektromagnetisches Gerät (etwa einen Transformator oder Motor) geleitet wird, entstehen Schwierigkeiten hauptsächlich wegen der Sättigung und der Dimensionierung magnetischer Kreise.

Die Sättigung der magnetischen Kreise ist vor allem deshalb für die Thyristoren schädlich, weil sie sich durch starke magnetisierende Ströme äussert, die ein Mehrfaches der Grosse des Verbraucherstroms erreichen können. Das führt zu Überlastungen, die vor allem für die Thyristoren nicht zulässig sind.

Es ist bekannt (vgl. T.A. PENKALSKI "Some common problems when using power semiconductors" Publ. General Electric Co.), daß die Gefahr der Sättigung der magnetischen Kreise beim

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Anlegen der Spannung besteht.

Das Problem tritt sowohl in Einphasen- wie in Mehrphasenkreisen auf. Ein bekanntes Mittel für die Beseitigung dieser Schwierigkeit besteht darin, die Thyristoren beim Anlassen nur allmählich durch vollständige Perioden oder Halbperioden leitend werden zu lassen. Hierzu kann auf die von der Anmelderin unter der Nr. 95 9 39 am 22. Februar 19 67 eingereichte französische Patentanmeldung hingewiesen werden.

Bei Mehrphasenanordnungen kann es möglich sein, die verschiedenen Phasen als ebensoviele selbständige Einphasenkreise arbeiten zu lassen, wodurch die hierfür bekannten Methoden benutzt werden können.

Wenn jedoch zwischen den einzelnen Phasen eine elektrische Kopplung (fehlender Nullpunkt oder Nullpunkt nicht mit dem Verbraucherkrexs verbunden od. dgl.) oder eine magnetische Kopplung (Mehrphasentransformator oder Mehrphasenmotor od. dgl.) besteht, entstehen neuartige störende Erscheinungen.

Die Arbeitsweise mit vollständigen Schwingungen, wie sie eingangs beschrieben wurde, zeichnet sich durch eine

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Wellenfolge aus, bei der Spannung, Dauer und Unterbrechung variabel sind.

Der dem Anfang und dem Ende jeder Wellenfolge entsprechende Übergang erfolgt nicht gleichzeitig auf den verschiedenen Phasen am Ende der Wellenfolge, unter Umständen auch nicht zu Beginn der Wellenfolge.

Während der Intervalle zwischen den Übergängen erhalten die Phasen des Verbraucherkreises trotzdem eine gewisse Speisespannung infolge elektrischer oder magnetischer Kopplung seitens der angeschlossenen Phasen.

Diese "Randeffekte" sind in zweifacher Hinsicht schädlich:

- Einerseits hat die Spannung, die derjenigen einer idealen Wellenfolge (wie sie einphasig vorkommt) nicht notwendigerweise den Mittelwert Null.

- Ausserdem erhöht sich durch die mögliche Folge von Halbwellen oder Teilen von Halbwellen gleichen Vorzeichens die Variation von Spitze zu Spitze beim Kraftfluß im magnetischen Kreis gegenüber dem im Dauerzustand erhaltenen. Die Situation wird ausserdem im allgemeinen noch erschwert, wenn eine unsymmetrische Belastung vorliegt.

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Man kann die Wirkung dieser Erhöhung der Variation des magnetischen Flusses dämpfen, indem man den magnetischen Kreis entsprechend überdimensioniert. Andererseits kann eine Spannung mit von Null abweichendem Mittelwert nicht zur Versorgung eines elektromagnetischen Geräts verwendet werden, weil sie zur Sättigung des magnetischen Kreises am Ende einer mehr oder weniger langen bestimmten Zeitspanne führt, trotz und unabhängig von dem Ausmaß der vorgenommenen Überdimensionierung.

Um die angegebenen Schwierigkeiten zu beseitigen, schlägt die Erfindung ein Verfahren für die Regelung der elektrischen Leistung vor, die mit N-Phasen-WechseIstrom mit Hilfe von gesteuerten Thyristoren gespeist werden, die mit praktisch vollständigen Halbwellen arbeiten, wobei jeder Thyristor in Reihe in den Kreis eines dieser Leiter geschaltet ist und einen Zündimpuls aufnehmen kann, der der bedingten Übertragung eines Synchronisierungsimpulses entspricht, der in jeder Periode des genannten Wechselstroms beim Durchlaufen eines praktisch Null betragenden Wertes der Speisespannung des dem genannten Thyristors zugeordneten Phasenleiters ausgesandt wird, welches Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß der leitende Zustand der Thyristoren in der Weise ausgelöst wird, daß Speisezyklen herbeigeführt werden, die aus N aufeinanderfolgenden Folgen

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von Speisehalbwellen bestehen, wobei jede dieser Folgen von Halbwellen a + Nb Halbwellen gleichen Vorzeichens nach Maßgabe von entsprechenden aufeinanderfolgenden Synchronisierungsimpulsen umfaßt, wobei ferner a eine feste positive ganze Zahl und b eine positive ganze Zahl oder Null ist und daß die Zündimpulse so beeifnlußt werden, daß im Verlauf jedes dieser Zyklen jeder Thyristor einmal und nur einmal von der ersten Halbwelle einer HaIbwellenfolge dieses Zyklus durchlaufen wird.

Unter diesen Umständen ist es möglich, die zeitliche Verteilung der den verschiedenen Thyristoren zugeführten Dämpfungsimpulse so vorzunehmen, daß der Mittelwert der Ausgangsspannung an jedem Pol der Nutzbelastung im wesentlichen Null für jeden Zyklus von N Leitungshalbwellen ist und das vorgeschlagene Vorgehen entspricht gewissermaßen einer zeitlichen Symmetrierung im Arbeiten der Anlage.

Beim Durchgang einer Folge von aufeinanderfolgenden Speisehalbwellen bestimmt die Wahl der anfänglichen Speisehalbwelle der Folge, die dem Auftreten eines Synchronisierungsimpulses entspricht, der von einem der Phasenleiter ausgesandt und bedingt auf den diesem Leiter zugeordneten Thyristor übertragen wurde, die Reihenfolge der

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nacheinander gezündeten werden, um die aufeinanderfolgenden Speisehalbwellen dieser Folge zu übertragen; die Wahl des zuerst gezündeten Thyristors bestimmt insbesondere den Thyristor, den die letzte Speisehalbwelle der Folge durchläuft, unter der einzigen Bedingung, daß die Zahl der Halbwellen der Folge die Form a + Nb hat, wobei a eine vorgegebene ganze Zahl und b eine beliebige ganze Zahl oder auch Null ist.

Zum Erreichen der obenerwähnten zeitweisen Symmetrierung reicht es daher aus, daß jeder Thyristor während eines Zyklus von der ersten Speisehalbwelle einer der N Folgen des Zyklus durchlaufen wird.

Nach einem anderen Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, die Thyristoren, die nacheinander von der Speisehalbwelle jeder Folge durchlaufen werden, entgegengesetzt zu derjenigen Reihenfolge zu zünden, in der sie nacheinander gezündet werden, um eine Halbwellenfolge zu übertragen, d.h. entgegengesetzt zu der Reihenfolge der Phasenleiter, die der zunehmenden relativen Phasenverzögerung ihrer jeweiligen Speisespannung entspricht» Das erlaubt am günstigsten die zeitliche Verteilung der jeden der N Phasenleiter durchlaufenden Leistung, wobei die den Transformatoren oder anderen versorgten Geräten auferlegte mag~

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netische Belastung so klein wie möglich gehalten wird.

Es ist einleuchtend, daß man, wenn man einen bestimmten ganzzahligen Wert a und eine Reihenfolge in der Aufeinanderfolge der nacheinander von einleitenden Speisehalbwellen durchlaufenen Thyristoren jeder der N aufeinanderfolgenden Folgen des Zyklus vorgibt, in Betracht ziehen kann, daß es der Platz (definiert wie oben in Abhängigkeit von afer Phase des zugehörigen Phasenleiters) des Thyristors, der von der abschliessenden Halbwelle einer Folge mit e inem in dem Zyklus vorübergehend gegebenen Platz durchlaufen wurde, ist, der den Platz des Thyristors bestimmt, der gezündet werden soll, um die einleitende Speisehalbwelle der nachkommenden Folge zu übertragen, was es erlaubt, diese letztere Wahl wechselnd vorzunehmen, beispielsweise in Abhängigkeit von dem Zündimpuls der vorhergehenden Folge.

Die Erfindung schlägt daher eine Einrichtung vor, mit der vorteilhafterweise die eben angegebenen Merkmale verwirklicht werden können, welche Einrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß eine erste UND-Schaltung vorgesehen ist, die zur bedingten Übertragung von Synchronisierungsimpulsen dient, die von jedem Phasenleiter ausgehen, um einen jeweils diesem Leiter zugeordneten Thyristor zu zünden,

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sowie ein monostabiles Element, das im angeregten Zustand die Übertragung der genannten Synchronisierungsimpulse durch die genannte erste UND-Schaltung ermöglicht, wobei die Zeitkonstante dieses monostabilen Elements so gewählt ist, daß der Übergang des genannten monostabilen Elements in den angeregten Zustand der ersten UND-Schaltung ermöglicht, eine Folge von a. Synchronisierungsimpulsen zu übertragen, um die Zündung der zugeordneten Thyristoren herbeizuführen sowie die Übertragung einer entsprechenden Folge von a_ aufeinanderfolgenden Speisehalbwellen mit Hilfe dieser Thyristoren, sowie ein Spannungs-Frequenz-Wandler, der Einspeisungsanforderungsimpulse aussendet, deren Frequenz eine wachsende Funktion einer nach Bedarf zwischen zwei vorgegebenen Grenzen einstellbaren Gleichspannung ist, ferner ein Aufwärts-Abwärts-Zähler, der additiv die Anforderungsimpulse zählt, die von der UND-Schaltung ausgehen und subtraktiv die Übergänge des monostabilen Elements aus seiner Ruhelage in seine angeregte Lage, ferner eine zweite UND-Schaltung für die bedingte Übertragung eines Anregungsimpulses auf das monostabile Element in Abhängigkeit von einem von einem Phasenleiter nach der vorbestimmten Reihenfolge abgegebenen einleitenden Synchronisierungsxmpuls, unter der Voraussetzung, daß der in dem Aufwärts-Abwärts-Zähler registrierte Wert mindestens gleich Eins ist und

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daß der dem Anregungsimpuls unmittelbar vorausgehende Synchronisierungsimpuls nicht die Zündung des entsprechenden Thyristors hervorgerufen hat und schließlich ein Phasenwähler, der dazu dient, der zweiten UND-Schaltung selektiv einen Syncbronisierungsimpuls, der von dem einen der genannten N Phasenleiter ausgesandt ist, der der Reihe nach für jeden Anregungsimpuls für das genannte monostabile Element bestimmt ist, zuzuleiten, in Abhängigkeit von der Rangfolge der Folge von Speisehalbwellen, die für den genannten Anregungsimpuls in dem Zyklus, dem de genannte Folge angehört, eingeführt ist.

Wenn die Zahl von Speisehalbwellen jeder Folge gleich der oben definierten ganzen Zahl a ist, besteht die Regelung der übertragenen Leistung darin, die Zahl der nicht leitenden Halbwellen zu variieren, die die Speisehalbwellen von zwei aufeinanderfolgenden Halbwellenfolgen voneinander trennen. Im Rahmen einer Folge oder eines Zyklus erfolgt somit die Leistungsvariation stufenweise, und diese Änderung erfolgt in umso kürzeren Sprüngen je grosser die verlangte Leistung ist.

Um eine Regelprogression bis zu voller Leistung beizubehalten, sieht die Erfindung unter anderem vor, den Gesamtbereich der Regelungsänderung der übertragenen Leistung

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in Unterbereiche aufzuteilen, die jeweils einem vorgegebenen Wert der oben definierten ganzen Zahl bfeugeordnet sind·

Zum Beispiel kann man b = 0 für einen Unterbereich wählen, in dem geringe Leistung verlangt wird, kann b einen grösseren Wert in einem Unterbereich nit höheren Leistungsansprüchen zuordnen und so weiter, bis zur Höchstleistung, die einer Belastung der Thyristoren von 100 % entspricht, wofür b dann den Wert Unendlich annimmt.

Nach einem anderen Merkmal der Erfindung begrenzt man den Zuwachs der Spitzenwerte der Erregung in den magnetischen Kreisen bei der fortschreitenden Rückkehr der maximalen Erregung zur bleibenden Erregung, wenn die Ruhezeit (nicht leitende Halbwellen) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Halbwellenfolgen zu lang wird. Zu diesem Zweck wird eine untere Grenze für die den Thyristoren auferlegte Belastbarkeit festgesetzt.

Man wird im übrigen auch den Anstieg des Augenblickswertes der magnetischen Induktion zu Beginn der Folge von Speisehalbwellen herabzusetzen suchen, die nach einer sehr langen und mit einem Dauerbetrieb vergleichbaren Folge auftritt. In der Tat sucht bei einer langdauernden

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Halbwellenfolge die von den magnetischen Kreisen beschriebene Hystereseschleife sich spontan auf einen Wert Null der magnetischen Erregung bei Dauerbetrieb zu konzentrieren, wodurch im allgemeinen eine schädliche Überschreitung der zu Beginn einer neuen Halbwellenfolge zulässigen maximalen Erregung hervorgerufen wird. Im Hinblick darauf kann die Belastbarkeit nach oben begrenzt werden und zwar durch einen etwas unterhalb von 100 % liegenden Grenzwert.

Weitere Eigenschaften und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Einrichtung. Die Erfindung bezieht sich auf die zugehörige Zeichnung, deren einzige Figur das Schaltschema einer erfindungsgemässen Leistungsregelung für den Betrieb mit Dreiphasenstrom darstellt.

Die Zeichnung läßt erkennen, daß die schematisch gezeichnete Anordnung dazu dient, die elektrische Leistung zu regeln, die einem Verbraucher 10 zugeführt wird, der über einen Transformator 12 an drei Phasenleiter 13a, 13b und 13c (die Phasen sollen in dieser Reihenfolge aufeinanderfolgen) eines Dreiphasenwechselstrom-Versorgungsnetz*· mit 50 Hz angeschlossen ist. Die Primärwicklungen

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12a, 12b und 12c des Transformators 12 sind vorzugsweise im Dreieck geschaltet, und jeder Dreieckspunkt steht mit einem zugeordneten Phasenleiter über einen üblichen Kreis mit jeweils einem Thyristor 14 und einer invers geschalteten Diode 15 in Verbindung, Die Regelung der dem Verbraucher 10 zugeführten Leistung erfolgt durch Überwachung des leitenden Zustande jedes Thyristors mittels der jeweiligen Zündelektroden 16a, 16b und 16c, die jeweils bedingt einen Synchronisxerungsxmpuls aufnehmen können, der jeweils an den zugeordneten Ausgängen 17a, 17b und 17c von Taktgeberschaltungen 18 bereitgestellt wird, deren Eingänge 19a bzw. 19b bzw. 19c zu den Phasenleitern 13a bzw. 13b bzw. 13c führen. Die Schaltungen 18 liefern einen kurzen Impuls, wenn ihre Eingangsspannung in Richtung auf steigende Werte durch Null geht. Sie liefern also jeweils Impulse mit der Frequenz 50 Hz, und die von den drei Schaltungen 15 gelieferten Impulse sind untereinander versetzt entsprechend der Phasenverschiebung von —s— ihrer jeweiligen Eingangsspannungen. Die Ausgänge 17a bzw. 17b bzw. 17c führen an die Zündelektroden 16a bzw. 16b bzw, 16c über drei UND-Schaltungen 20a bzw. 20b bzw. 20c mit jeweils zwei Eingängen; dazu sind ihre Eingänge 21a bzw, 21b bzw. 21c an die Ausgänge 17a bzw, 17b bzw. 17c der Taktgeberschaltungen 18 geführt, und ihre Eingänge 22a bzw 22b bzw. 22c sind gemeinsam

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verbunden mit dem Ausgang 2 3 einer monostabilen Kippschaltung 24, deren Zeitkonstante bei etwa 10 msec liegt; die Ausgänge 25a bzw. 25b bzw. 25c der UND-Schaltungen 20a bzw. 20b bzw. 20c sind, gegebenenfalls über (nicht gezeichnete) Verstärker, an die Zündelektroden 16a bzw. 16b bzw. 16c der Thyristoren IU geführt. Wenn der Eingang 2 6 der monostabilen Kippschaltung 24 einen Auslöseimpuls empfängt, geht die Schaltung in den Einschaltzustand über und macht die Gatter 20a, 20b und 20c während einer ihrer Zeitkonstanten entsprechenden Zeitdauer durchlässig bzw. führt zur Zündung der Thyristoren wegen der Taktimpulse, die während dieser Zeit am Eingang der UND-Gatter auftreten. Die Belastbarkeit der Thyristoren, d.h. die dem Verbraucher 10 zugeführte elektrische Leistung hängt somit unmittelbar von dem Schalttakt der monostabilen Kippschaltung 24 ab.

Der Eingang 26 der monostabilen Kippschaltung 24 ist an Schaltkreise angeschlossen, die nachstehend beschrieben werden sollen und die die Auslösung der Kippschaltung nach Maßgabe von Arbeitebefehlen bewirken, die von der Leistungsanforderung abhängen und nach Maßgabe der gewünschten Verteilung der Zündimpulse auf die verschiedenen Thyristoren, um die Zyklen von drei Folgen von

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Speisehalbwellen zu bestimmen.

Arbeitsbefehle sind aus einer durch 27 schematisch angedeuteten regelbaren Gleichstromquelle zu gewinnen, die an den Eingang eines Spannungs-Frequenz-Wandlers 28 angeschlossen ist, an dessen Ausgang Impulse abzunehmen sind, deren Frequenz proportional der von der Quelle 27 gelieferten Spannung ist. Diese Impulse werden dem Direktzählungseingang 29 eines Aufwärts-Abwärts-Zählers zugeführt, dessen Rückwärtszähleingang 31 mit dem Ausgang 23 der monostabilen Kippschaltung 24 derart verbunden ist, daß der in dem Aufwärts-Abwärts-Zähler registrierte Zählwert C immer dann um eine Einheit verringert wird, wenn die monostabile Kippschaltung aus ihrem Ruhezustand in den Einschaltzustand übergeht. Der Aufwärts-Abwärts-Zähler 30 besitzt einen ersten Ausgang 32, an dem ein Stufensignal erscheint, wenn der Zählwert C grosser oder gleich der Einheit ist und einen zweiten Ausgang 33, an dem sein Stufensignal erscheint, wenn der Zählwert C grosser oder gleich 3 ist. Diese Signale sollen jeweils eine zweite UND-Schaltung, die durch eine UND-Gatter 34 mit drei Eingängen 35, 36 und 37, bzw. eine dritte UND-Schaltung, die durch ein weiteres UND-Gatter 38 mit drei Eingängen 39, 40 und 41 dargestellt wird, beeinflussen. Der Ausgang 42 des Gatters 38 ist mit dem Eingang einer zweiten monostabilen Kippschaltung 43 verbunden, deren Zeitkonstante

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ungefähr 3 5 msec beträgt. Der Ausgang 44 dieser monostabilen Kippschaltung und der Ausgang 45 des UND-Gatters 34 sind über ein ODER-Gatter 46 mit zwei Eingängen an den Eingang 26 der ersten monostabilen Kippschaltung 24 angeschlossen. Werden die drei Eingänge des Gatters 34 gleichzeitig erregt, so wird der Eingang 2 6 der monostabilen Kippschaltung 24 erregt und die Kippschaltung geht in den Einschaltzustand über. Ebenso geht die monostabile Kippschaltung 43 in den Einschaltzustand über, wenn die drei Eingänge des UND-Gatters 38 erregt sind, und das damit am Ausgang der Kippschaltung 43 verfügbare Signal ist imstande, mit Hilfe des ODER-Gatters 46 drei aufeinanderfolgende Auslösungen der monostabilen Kippschaltung 24 hervorzurufen, d.h. die Aussendung von drei Arbeitsbefehlen nacheinander.

Die UND-Gatter 34 und 38 sind in Wirklichkeit niemals gleichzeitig durchlässig, denn ihre jeweiligen Eingänge 36 und 40 sind mit zwei komplementären Ausgängen einer bistabilen Kippschaltung 47 verbunden. Wenn die Kippschaltung 47 in Ruhe ist, wird der Eingang 36 erregt, jedoch der Eingang 40 nicht, und entgegengesetzt, wenn die Kippschaltung 47 eingeschaltet ist. Die Kippschaltung 47 besitzt einen Eingang 48 für die Nullrückstellung; dieser

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Eingang ist verbunden mit dem Ausgang eines ODER-Gatters 49, dessen drei Eingänge an jeweils einen der Ausgänge 17a, 17b und 17c der Taktgeberschaltungen 18 geführt sind; ferner besitzt die Kippschaltung 47 einen Auslösungseingang 50, der mit dem Ausgang eines ODER-Gatters 51 verbunden ist, dessen drei Eingänge an jeweils einen der Ausgänge 25a bzw. 25b bzw. 25c der UND-Gatter 20a bzw. 20b bzw. 20c angeschlossen sind, d.h. an die zugeordneten Zündelektroden des Thyristoren 14. Jeder von der ersten UND-Schaltung auf die Zündelektrode des zugeordneten Thyristors gegebene Impuls führt also den Übergang der bistabilen Kippschaltung 47 in den Einschaltzustand herbei, und der nachfolgende Taktimpuls bringt die Kippschaltung in die Ruhelage zurück, sofern nicht auch dieser Impuls die erste UND-Schaltung durchläuft.

Die beiden Eingänge 37 bzw. 41 der UND-Gatter 34 bzw. 38 sind mit einem Organ für aufeinanderfolgende oder auswählende Kommutierung verbunden, durch das ein Taktimpuls angewandt werden kann, der von einem in seiner Reihenfolge vorbestimmten Taktimpulsgeber 18 herrührt. Zu diesem Zweck sind die Eingänge 37 und 41 an den Ausgang eines ODER-Gatters 52 mit drei Eingängen angeschlossen; jeweils einer dieser Eingänge ist mit dem Ausgang jeweils eines von drei UND-Gattern 5 3a bzw. 53b bzw. 53c mit je-

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weils zwei Ausgängen verbunden und die ersten dieser Eingänge 54a bzw. 54b bzw. 51c sind an die Ausgänge 17a bzw, 17b bzw. 17c der Taktimpulsgeber 18 angeschlossen.

Der eigentliche Phasenwähler 55 macht nach Maßgabe der Zündimpulse jedes der Thyristoren 14 die eine der drei UND-Schaltungen 53a, 53b und 53c durchlässig. Dazu besitzt er drei Eingänge 56a bzw.56b bzw. 56c, die mit den Zündelektroden 16a bzw, 16b bzw. 16c der Thyristoren 14 verbunden sind und drei Ausgänge 57a bzw. 57b bzw. 57c, die an die zweiten Eingänge 58a bzw. 58b bzw, 58c der UND-Gatter 53a bzw. 53b bzw. 53cfllhren; der Phasenwähler arbeitet folgendermaßen: beim Eintreffen eines Zündimpulses an der Elektrode 16a wird der Eingang 56a erregt und am Ausgang 57b wird ein Stufensignal verfügbar; wird der Eingang 56b erregt, so wird das zuvor am Ausgang 57b befindliche Stufensignal aufgehoben und es entsteht ein Stufensignal am Ausgang 57c; die Erregung des Eingangs 56c schließlich bewirkt die Beseitigung des zuvor vorhandenen Stufensignals auf 57c und das Auftreten eines Stufensignals am Ausgang 57a. Die hier beschriebene logische Funktion des Phasenwählers 55 läßt sich vollständig mit bekannten Mitteln ausführen, z.B. mit drei bistabilen Kippschaltungen und drei ODER-Gattern oder auch mit elektromagnetischen Schaltelementen.

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Um die Arbeitsweise der obenbeschriebenen Einrichtung zu erläutern - unter der Annahme, daß die Reihenfolge zunehmender Phasenverschiebung der Spannungen an den Klemmen der Phasenleitungen der Reihenfolge 13a, 13b, 13c entspricht - geht man von einem Anfangszustand aus, in dem beispielsweise die bistabile Kippschaltung 47 in ihrer Ruhelage ist, das UND-Gatter 53a durchlässig ist, keine der beiden monostabilen Kippschaltungen 24 und 4 3 im Einschaltzustand ist, welche Bedingungen zum Beispiel dem Abschluß eines Zyklus von Folgen von Speisehalbwellen entsprechen. Ferner sei vorausgesetzt, daß der in dem Zähler 30 registrierte Zählwert C den Betrag Null habe. Unter diesen Umständen ist keines der Gatter 20a, 20b oder 20c durchlässig, und die Taktimpulse können den Zündelektroden der Thyristoren nicht zugeleitet werden. Da das Gatter 53a durchlässig ist, gelangen die dem Leiter 13a zugeordneten Taktimpulse durch das ODER-Gatter an die Eingänge 37 bzw. 41 der UND-Gatter 34 bzw. 38, aber diese Gatter sind gesperrt, weil ihre Eingänge 35 bzw. nicht erregt sind (C = 0). Demzufolge wird keine Leistung über die Thyristoren an den Verbraucher abgegeben.

Wenn ein von der UND-Schaltung28 erzeugter Arbeitsbefehlsimpuls den Zähler 30 in den Zustand C=I übergehen läßt, wird das UND-Gatter 34, dessenEingänge 35 und 36 erregt sind, durchlässig und ein Auslösesignal erscheint am Aus-

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gang des Gatters 34 von dem Augenblick an, in dem ein Signal am Ausgang des ODER-Gatters 52 auftritt. Da die Gatter 53b und 53c noch gesperrt sind, wird dieses Signal von demjenigen dem Leiter 13a zugeordneten Taktsignal gebildet, das dem Übergang des Zählers 30 von dem Zustand C = 0 in den Zustand C=I folgt. Dieser Taktimpuls durchläuft das UND-Gatter 31 und das ODER-Gatter 4 6 und verursacht den Übergang der monostabilen Schaltung 24 in den Einschaltzustand, d.h. die Abgabe eines Rechteckimpulses von 10 msec Dauer auf 23 und das öffnen der Gatter 20a, 20b und 20c. Der angegebene Taktimpuls durchläuft also das Gatter 20a, um den in Reihe mit dem Leiter 13a liegenden Thyristor zu zünden, der nun während der ganzen zugehörigen Halbwelle leitend bleibt. Die Auslösung der monostabilen Kippschaltung hat jedoch über den Eingang 31 die Rückführung einer Zähleinheit zu dem Zählwert C des Zählers 30 und über die Gatter 20a und 51' den Übergang der bistabilen Kippschaltung 47 in den Einschaltzustand sowie schließlich über den Eingang 56a und den zugeordneten Ausgang 57b des Phasenwählers 55 die Sperrung des Gatters 5 3a und das Öffnen des Gatters 53b herbeigeführt; 6,666 ... msec nach dem angegebenen Taktimpuls erscheint ein neuer Taktimpuls, in diesem Fall am Ausgang 17b der dem Leiter 13b zugeordneten Taktgebersehaltung. Dieser zweite Impuls durchläuft

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das Gatter 53b, kann aber die immer erregte monostabile Kippschaltung 24 nicht wieder zünden, denn das Gatter ist dadurch gesperrt worden, daß die bistabile Schaltung in den Einschaltzustand übergegangen ist. Dieser zweite Taktimpuls läuft vielmehr unmittelbar zu dem noch geöffneten Gatter 20b und zündet den dem Leiter 13b zugeordneten Thyristor, wodurch die Übertragung einer zweiten Speisehalbwelle an den Verbraucher 10 erfolgt. Die Zündung des angegebenen Thyristors hat zur Folge, daß über den Eingang 56b und den zugeordneten Ausgang 57c des Phasenwählers das Gatter 53b blockiert und das Gatter 53c durchlässig wird.

Der dritte, auf die beiden vorhergehenden folgende Taktimpuls erscheint 12,222 ... msec nach dem ersten, d.h. nach der Rückkehr der monostabilen Kippschaltung 24 in ihren Ausgangszustand. Dieser Impuls wird auf den Eingang 21c übertragen und über die Gatter 53c und 52 auf die Eingänge 37 und 41. Da die monostabile Kippschaltung 24 in die Ruhelage zurückgekehrt ist, ist das Gatter 20c nicht durchlässig.

Bei Ablauf von 10 msec kehrt die monostabile Kippschaltung 24 in den Ruhezustand zurück und die Gatter 20a, 20b und 20c werden gesperrt. Die bistabile Kippschaltung 47 befindet sich im Einsehaltzustand, und das Gatter 34 ist

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daher gesperrt. 12,2 msec nach dem angegebenen Anfangszustand erscheint ein Taktimpuls am Ausgang 17c der Taktgeberschaltung 18, die dem Leiter 13c zugeordnet ist. Dieser Impuls kann das gesperrte Gatter 20c nicht durchlaufen; er erreicht über die Gatter 53c bzw. 52 die Eingänge 37 bzw. 41 der Gatter 34 bzw. 38. Wenn der Leistungsbedarf massig hoch bleibt, d.h., wenn der Zähler 30 nicht mehr als zwei neue Arbeitsbefehle aufgezeichnet hat, bleibt das Gatter 38 gesperrt und der genannte dritte Taktimpuls kann nicht an den Eingang 26 gelangen, um die monostabile Kippschaltung 24 neuerdings zu erregen. Infolgedessen wird die entsprechende Halbwelle nicht an den Verbraucher 10 übertragen und die bistabile Kippschaltung 17 kehrt in ihren Ruhezustand zurück. Danach erscheinen ein . vierter bzw. ein fünfter der aufeinanderfolgenden Taktgeberimpulse an den Ausgängen 17a bzw. 17b. Die UND-Gatter, zu denen die Impulse geleitet werden, sind gesperrt und diese Impulse üben auf die Thyristoren keine Wirkung aus.

Wenn der siebente Taktgeberimpuls am Eingang 17c erscheint, durchläuft er das durchlässige Gatter 5 3c und wenn der Zählwert C des Zählers 30 nun mindestens den Wert der Einheit zeigt, ist das Gatter 34 durchlässig und ermöglicht die Neuerregung der monostabilen Kippschaltung 24, wodurch eine

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neue Folge von zwei Speisehalbwellen der Thyristoren entstehen, bei deren Aussendung das Gatter 53b durchlässig ist und so daß bei der nächsten Folge notwendigerweise der dem Leiter 13b zugeordnete Thyristor gezündet werden wird» Bei der Aussendung der dritten Folge hat die Einrichtung einen Zyklus abgeschlossen und befindet sich in dem Zustand, der oben als der Anfangs zustand für die Beschreibung eines Zyklus angenommen worden war, abgesehen davon, daß der Zählwert des Zählers 30, der von der Regelung des Leistungsbedarfs abhängt, nicht unbedingt der gleiche zu sein braucht wie bei dem betrachteten Ausgangszustand.

Jetzt soll vorausgesetzt werden, daß der Leistungsbedarf relativ hoch ist, d.h., daß der Zählwert C des Zählers 30 in bestimmten Augenblicken die Zahl 3 erreicht, im Hinblick auf die Netzfrequenz von 50 Hz und die Zeitkonstante der monostabilen Kippschaltung 2f von 10 msec; das tritt ein, wenn die mittlere Impulsfolge der von der UND-Schaltung 28 gelieferten Arbeitsimpulse 30 Hz überschreitet·

In diesem Fall wird, angenommen beispielsweise, daß der Zählwert C am Ende des Durchlaufs einer Halbwellenfolge entsprechend dem oben beschriebenen Vorgang den Wert 3 erreicht oder übersteigt, der Eingang 39 der UND-Schal-

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tung 38 erregt; aber die UND-Schaltung 38 kann erst nach dem Gatter 34 durchlässig werden: Wie oben erläutert, ist die bistabile Kippschaltung 47 nämlich in der Ruhelage am Ende der betrachteten Impulsfolge und die Schaltung sperrt das Gatter 38 mangels Erregung des Eingangs dieses Gatters, Der Taktimpuls, der der ersten Speisehalbwelle einer neuen Folge entspricht, erregt somit die monostabile Kippschaltung 24 über die Gatter 34 und 46, und der folgende Taktimpuls ruft, nachdem die bistabile Kippschaltung 47 in den Einsehaltzustand übergegangen ist, über das nun geöffnete Gatter 38 die Erregung der monostabilen Kippschaltung 43 hervor, die ein Rechtecksignal von 35 msec Dauer wirksam werden läßt, dessen Anwesenheit am Eingang 2 6 der monostabilen Kippschaltung 24 für drei aufeinanderfolgende Zündungen dieser Kppschaltung sorgt, von denen jede durch Zünden der Thyristoren über die Gatter 20a, 20b und 20c dem Durchlaufen von zwei Speisehalbwellen entspricht. Daraus ergibt sich eine Summe von acht aufeinanderfolgenden Speisehalbwellen, bei deren Abschluß der Zustand des Phasenwählers 55 der gleiche ist, wie wenn die Folge aus nur zwei Speisehalbwellen bestanden hätte; unter diesen Umständen wird, wenn beispielsweise die erste Speisehalbwelle dieser ausgedehnten Folge von dem Leiter 13a übertragen worden war, die letzte Halbwelle durch den Leiter 13b übertragen und macht die UND-Schaltung

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53c durchlässig, so daß, unabhängig von der Zeitspanne, die zwischen dieser letzten Speisehalbwelle und dem Beginn der nächsten Folge verläuft, die Anfangshalbwelle dieser zweiten Folge von dem Leiter 13c und die letzte von dem Leiter 13a übertragen wird; infolgedessen wird die UND-Schaltung 53b durchlässig und bereitet den Durchgang der ersten Speisehalbwelle in der nächsten Folge auf dem Leiter 13b vor, wobei die dritte Speisehalbwelle dieser dritten Folge den Leiter 13c durchläuft und die UND-Schaltung 5 3a durchlässig schaltet und so fort.

Wenn die Impulsfolge , die von dem Spannungs-Frequenz-Wandler 28 geliefert wird, 75 Hz erreicht, erhält man eine Serie von acht zusammenhängenden Folgen von Speisehalbwellen, was der maximal möglichen Leistungsübertragung auf den Verbraucher 10 entspricht.

Der Vollständigkeit halber ist noch zu bemerken, daß die auf 5m an die UND-Schaltung 46 erteilte ausgedehnte Freigabe durch nicht näher beschriebene Mittel auf ein an 37 auftretendes Synchronisierungssignal abgestimmt wird.

Die oben beschriebene Einrichtung erlaubt die Steuerung der Zündung der Thyristoren der Reihe nach in der Weise, daß Zyklen von drei Folgen Speisehalbwellen mit je zwei oder acht aufeinanderfolgenden Speisehalbwellen (a = Z,

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b » O oder a = Z, b = Zk) ausgesandt werden. Natürlich versteht es sich von selbst, daß es nur nötig wäre, die Zeitkonstanten der monostabilen Kippschaltungen 24 und 43 zu verändern, um für besondere Anwendungsverhältnisse, Folgen mit einer abweichenden Zahl von Speisehalbwellen zu erhalten. Ausserdem hängt die Reihenfolge der Leiter, die nacheinander von der ersten Speisehalbwelle jeder Folge durchlaufen werden (hier ist die Reihenfolge 13a, 13c, 13b, 13a, ...) nur von der Zuordnung der drei Ausgänge des Phasenwählers 55 zu den Gattern 5 3a, 5 3b und 5 3c und hierfür könnte eine andere Zuordnung gewählt werden.

Schließlich sind jedem Fachmann die an der beschriebenen Einrichtung vorzusehenden Abänderungen geläufig, die für die Zuordnung der Einrichtung zu einem Mehrphasenstrom mit von drei abweichender Phasenzahl erforderlich wären: es ist nur die Zahl der Thyristoren 14, der Taktgeberschaltungen 18, der UND-Schaltungen 20a usf. und der UND-Schaltungen 53a uef. gleich der Zahl der Phasenleiter im Netz zu wählen» Statt jedem Thyristor 14 eine Diode 15 zuzuordnen, könnte man natürlich diese Dioden auch durch Thyristoren ersetzen. Die der Erfindung zugrundeliegenden Gedanken bleiben andererseits für alle Arten gesteuerte Ventile gültig.

Pate η tansprüche:

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Claims

Patentansprüche :

Verfahren für die Regelung der elektrischen Leistung, die durch eine Gruppe von N Phasenleitern übertragen wird, die mit N-Phasen-Wechselstrom mit Hilfe von gesteuerten Thyristoren gespeist werden, die mit praktisch vollständigen Halbwellen arbeiten, wobei jeder Thyristor in Reihe in den Kreis eines dieser Leiter geschaltet ist und einen Zündimpuls aufnehmen kann, der der bedingten Übertragung eines Synchronesierungsimpulses entspricht, der in jeder Periode des genannten Wechsistroms beim Durchlaufen eines praktisch Null betragenden Wertes der Speisespannung des dem genannten Thyristors zugeordneten Phasenleiters ausgesandt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß der leitende Zustand der Thyristoren in der Weise ausgelöst wird, daß Speisezyklen herbeigeführt werden, die aus N aufeinanderfolgenden Folgen von Speisehalbwellen bestehen, wobei jede dieser Folgen von Halbwellen a + Nb Halbwellen gleichen Vorzeichens nach Maßgabe von entsprechenden aufeinanderfolgenden Synchronisierung simpulsen umfaßt, wobei ferner a eine feste positive ganze Zahl und b eine positive ganze Zahl oder Null ist,

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und daß die Zündimpulse so beeinflußt werden, daß im Verlauf jedes dieser Zyklen jeder Thyristor einmal und nur einmal von der ersten Halbwelle einer HaIbwellenfolge dieses Zyklus durchlaufen wird.

2, Verfahren für die Regelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Thyristoren, die Modulo N nach zunehmenden Werten der relativen Phasenverzögerung der Speisespannung der jeweiligen Leiter, denen sie zugeordnet sind, angeordnet sind, in Zuordnung und nacheinander von der ersten Halbwelle der aufeinanderfolgenden Halbwellenfolgen durchlaufen, in einer Reihenfolge angeordnet sind, die der oben angegebenen Reihenfolge entgegengesetzt ist.

3. Verfahren zur Regelung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ge samt be reich der Regelung der übertragenen Leistung in Unterbereiche aufgeteilt wird, von denen jeder einem bestimmten vorgegebenen Wert der ganzen Zahl b zugeordnet ist.

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4. Verfahren zur Regelung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verbrauchern mit magnetischen Kreisen eine unter der Belastbarkeit der Thyristoren liegende untere Grenze bestimmt wird.

5. Verfahren zur Regelung nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verbrauchern mit magnetischen Kreisen eine unterhalb von 100 % der Belastbarkeit der Thyristoren liegende obere Grenze festgelegt wird.

6. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste UND-Schaltung vorgesehen ist, die zur bedingten Übertragung von Synchronesierungsimpulsen dient, die von jedem Phasenleiter ausgehen, um einen jeweils diesem Leiter zugeordneten Thyristor zu zünden, sowie ein monostabiles Element, das im angeregten Zustand die Übertragung der genannten Synchronisierungsimpulse durch die genannte erste UND-Schaltung ermöglicht, wobei die Zeitkonstante dieses monostabilen Elements so gewählt ist, daß der Übergang des genannten monostabilen Elements in den angeregten Zustand der ersten UND-Schaltung

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ermöglicht, eine Folge von £ Synchronisierungsimpulsen zu übertragen, um die Zündung der zugeordneten Thyristoren herbeizuführen sowie die Übertragung einer entsprechenden Folge von ja aufeinanderfolgenden Speisehalbwellen mit Hilfe dieser Thyristoren, sowie ein Spannungs-Frequenz-Wandler, der Einspeisungsanforderungsimpulse aussendet, deren Frequenz eine wachsende Funktion einer nach Bedarf zwischen zwei vorgegebenen Grenzen einstellbaren Gleichspannung ist, ferner ein Aufwärts-Abwärts-Zähler, der additiv die Anforderungsimpulse zählt, die von der UND-Schaltung ausgehen, und subtraktiv die Obergänge des monostabilen Elements aus seiner Ruhelage in seine angeregte Lage, ferner eine zweite UND-Schaltung für die bedingte Übertragung eines Anregungsimpulses auf das monostabile Element in Abhängigkeit von einem von einem Phasenleiter nach der vorbestimmten Reihenfolge abgegebenen einleitenden Synchronisierungsimpuls, unter der Voraussetzung, daß der in dem Aufwärts-Abwärts-Zähler registrierte Wert mindestens gleich Eins ist und daß der dem Anregungsimpuls unmittelbar vorausgehende Synchronisierungsimpuls nicht die Zündung des entsprechenden Thyristors hervorgerufen hat und schließlich ein Phasenwähler, der dazu dient, der zwei-

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ten UND-Schaltung selektiv einen Synchronisierungsimpuls, der von dem einen der genannten N Phasenleiter ausgesandt ist, der der Reihe nach für jeden Anregungsimpuls für das genannte monostabile Element bestimmt ist, zuzuleiten, in Abhängigkeit von der Rangfolge der Folge von Speisehalbwellen, die für den genannten Anregungsimpuls in dem Zyklus, dem die genannte Folge angehört, eingeführt ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Phasenwähler N Eingänge und N Ausgänge aufweist, die den genannten Eingängen zugeordnet sind (bijectivement), wobei jeder Eingang so geschaltet ist, daß er ein Anregungssignal beim Zünden des einen zugeordneten Thyristors empfängt und jeder Ausgang mit einem ersten Eingang eines zugeordneten UND-Gatters verbunden ist, dessen zweiter Eingang die Synchronisierungsimpulse aufnimmt, die von dem einen zugeordneten der N Phasenleiter ausgesandt ist und daß der Phasenleiter so ausgelegt ist, daß er N getrennte stabile Zustände besitzt, die jeweils durch die Aufnahme des Anregungssignals durch einen der N Eingänge herbeigeführt werden und das öffnen des einen zugeordneten UND-Gatters zur Folge hat, und dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Ein-

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leitungsimpuls am Ausgang eines ODER-Gatters mit N Eingängen gewonnen wird, die jeweils mit dem Ausgang des einen zugeordneten UND-Gatters verbunden sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ausserdem ein zweites monostabiles Element vorgesehen ist, das in angeregtem Zustand in Verbindung mit dem genannten ersten monostabilen Element über die genannte erste UND-Schaltung die Übertragung von a + bN aufeinanderfolgenden Synchronisierungsimpulsen herbeiführen soll, wobei b eine ganze Zahl ist und mindestens den Wert Eins hat und wobei ferner das zweite monostabile Element nur dann den Anregungszustand erreichen kann, wenn der von dem genannten Aufwärts-Abwärts-Zähler registrierte Zahlenwert mindestens gleich einer vorgegebenen, unbedingt über Eins liegenden ganzen Zahl ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ausserdem ein bistabiles Element vorgesehen ist, das so geschaltet ist, daß es infolge eines jeden die erste UND-Schaltung durchlaufenden Synchronisierungsimpulses in den Einschaltzustand kommen kann, um die Zün-

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dung des zugeordneten Thyristors herbeizuführen, und daß es infolge des Auftretens jedes beliebigen anderen Synchronisierungsimpulses in die Ruhelage zurückfällt, wobei das genannte bistabile Element mit der zweiten UND-Schaltung so verbunden ist, daß die Übertragung des genannten Anregungsimpulses für das erste monostabile Element ausgeschlossen ist, wenn das genannte bistabile Element sich im Einschaltzustand befindet, daß eine dritte UND-Schaltung vorgesehen ist, die dem genannten zweiten monostabilen Element einen Anregungsimpuls in Abhängigkeit von dem genannten einleitenden Synchronisierungsimpuls übermittelt, unter der Bedingung, daß das genannte bistabile Element sich in seinem Einschaltzustand befindet und der von dem Aufwärts-Abwärts-Zähler registrierte Zahlenwert mindestens gleich der genannten vorgegebenen, unbedingt über Eins liegenden ganzen Zahl ist, wobei das genannte zweite monostabile Element mit dem ersten monotabilen Element so zusammengeschaltet ist, daß letzteres wieder angeregt wird, sobald es selbst sich im angeregten Zustand befindet.

10. Einrichtung nach Anspruch 6, zum Regeln der Leistung, die von einem ersten, einem zweiten und einem dritten

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Phasenleiter übertragen wird, die mit Dreiphasenwechselstrom von 50 Hz gespeist werden und mit einem in Dreiecksschaltung montierten Verbraucher über einen ersten, einen zweiten und einen dritten Thyristor verbunden sind, welche in Reihe jeweils zwischen einen zugeordneten der drei Leiter und eine zugeordnete Anschlußklemme des Verbrauchers geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das erste monostabile Element eine unbedingt zwischen 6,666 ... und 12,222 ... msec liegende Zeitkonstante aufweist.

11. Einrichtung nach den Ansprüchen 6 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Phasenleiter drei stabile Zustände besitzt, die jeweils durch das Zünden des ersten bzw. zweiten bzw. dritten Thyristors herbeigeführt werden, um das öffnen eines ersten bzw. eines zweiten bzw. eines dritten UND-Gatters zu veranlassen, wobei die ersten Eingänge des ersten bzw. zweiten bzw. dritten UND-Gatters die von dem genannten zweiten bzw. dritten bzw. ersten Phasenleiter ausgehenden Synchroni eierungeirapulse aufnehmen.

12. Einrichtung nach den Ansprüchen 9 und 11, dadurch ge-

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kennzeichnet, daß die Zeitkonstante des genannten zweiten monostabilen Elements so gewählt ist, daß das zweite monostabile Element drei aufeinanderfolgende Wiederanregungen des ersten monostabilen Elements herbeiführen kann.

Für: SOCIETE ANONYME FRANCAISE DU FERODO

CATENTANWaLTE .H.FINCKE.Din. IN«.H.ΒΟΗ» DIPI.-ING. S. STAEGER

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