DE2232759A1

DE2232759A1 - Phasenzuendschaltungen

Info

Publication number: DE2232759A1
Application number: DE2232759A
Authority: DE
Inventors: Wilfred Roy Curle; Collin John Hawker; Harold David Read
Original assignee: Westland Aircraft Ltd
Current assignee: Westland Group PLC
Priority date: 1971-07-05
Filing date: 1972-07-04
Publication date: 1973-02-01
Also published as: US3753044A; FR2145224A5; CA945631A

Description

In der Antwort bitte angeben Unser Zeichen

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WESTLAND AIRCRAFT LIMITED, Yeovil/Somerset, England

Phasenzündschaltungen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung von einphasigen und mehrphasigen elektrischen Netzen, die an äußere Belastungen angeschlossen werden und insbesondere auf die Modulation elektrischer Energie auf äußere Belastungen.

Bisher wurde der Schaltvorgang unter Verwendung von Relaiskontakten in jeder Phase durchgeführt, wobei eine Unterdrückung der R/F-Störung ein erhebliches Problem war, oder durch eine komplizierte elektronische Schaltung, um zu versuchen, die R/F-Störung beim Schaltvorgang zu vermindern.

Vorliegende Erfindung sieht hingegen eine Schaltvorrichtung vor, bei der die Anfangsschaltung nur in einer Phase vorgenommen wird, die Schaltung ist einfach, und die R/F-Störung minimal;

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ferner ist die Erfindung sowohl für Einphasen-als für Mehrphasennetze geeignet.

Gemäß der Erfindung wird eine Steuerschaltung zum Schalten von einphasigen und mehrphasigen elektrischen Netzen vorgeschlagen, bei der die Erregung der Zündvorrichtung eine Thyristoranordnung steuert, die eine elektrische Last aus einer Wechselstromspeisequelle speisen kann, wobei die elektrische Last mit den elektrischen Netzen bei oder in der Nähe von Hullspannungen elektrisch verbunden ist, und wobei die einphasigen und mehrphasigen elektrischen Netze durch einpolige Schaltvorrichtungen geschaltet werden.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Die Figuren zeigen:

Fig. 1 eine Grundschaltung, bei der ein Dreiphasennetz mit einer dreiphasigen elektrischen Last gesteuert wird,

Fig. 2 die Phasenbeziehung der Phasennetzspannungen und der Trans f ormatorausgangs spannungen,

Fig. 3 die Phasenbeziehung zum Zeitpunkt des Einschaltens und des Ausschaltens der Schaltanordnung,

Fig. 4 ein Blockdiagramm einer praktischen mehrphasigen Anwendung der Erfindung,

Fig. 5 eine Grundschaltung, bei der ein Einphasennetz für eine elektrische Last gesteuert wird, und

Fig. 6 die folgenden Kurvenformen der Schaltanordnung nach Fig. 5j 6A T, Primärkurvenform
6B T, Sekundärkurvenform 6C ^SCRo Gatterkurvenform 6D SCR, Gitterkurvenform

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Zum einfacheren Verständnis eines Mehrphasensystems wird an Dreiphasensystem beschrieben, bei welchem die folgenden drei Annahmen gemacht sind:

Die Netzfolge ist R (Rot) - Y (GeIH) - B (Blau) Phase — Verzögerungszündung der siliziumgesteuerten

Gleichrichter
Schalter S₁ - Geschlossen, wenn bei Y die Phase 0 nach positiv

geht.

In den Figuren 2 und 3 stellen R₁, Y₁ und B₁ die Phasenspannungen und R₂, Y- und B_ die Transformatorausgangsspannungen dar.

Wenn S, (Fig. 1) zum Zeitpunkt χ in der Fig. 3 geschlossen ist, ist die Primäwrwicklung eines Transformators T, zwischen Y-Phase und dem neutralen Leiter gelegt. Aus Fig. 2 ergibt sich, daß während des positiven Halbzyklus der Y-Phase sowohl die Phase R als auch die Phase B durch die Nullspannung gehen, R bei 1/3 JT und nach negativ gehend, B bei 2/3 T und nach positiv gehend. Wenn die in den Sekundärwicklungen von T₁ induzierten Spannungen negativ sind und die R-Phasenkreuzung nach negativ während dieses ersten Halbzyklus der Y-Phase geht, werden die Sekundärwicklungen von T, zum Zünfen der siliziumgesteuerten Gleichrichter der R-Phase verwendet (d.h. Phasenverzögerungszündung) .

Wenn die Spannung der Y-Phase von 0 ansteigt, wird eine Gleichspannung dem SCR,-Gatter von der Sekundärwicklung von T₁ (A.B.) über einen Gleichrichter D, und den Strombegrenzungswiderstand R. aufgegeben. Obgleich die Gatterspannung von SCR-, rasch auf das Zündpotential ansteigt, wird SCR₁ nicht stromleitend, bevor die R-Phase den Wert O erreicht, da er entgegengesetzt vorgespannt ist. Sobald die R-Phase durch 0 bei (Jt = l/3jrgeht,wird SCR, vorwärts vorgespannt, und da noch ein Gleichspannungspotential an das Gatter angelegt ist, wird SCR-, nunmehr stromleitend, wodurch Energie in eine Last L, und eine Transformatorprimärwicklung T₂ Tfesen kann.

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Die Spannung der Transformatorprimärwicklung T₂ steigt negativ an und speist eine Spannung in das SCR₂-Gatter aus der Sekundärwxcklung T₂ (CD.) über D₂ und R₃, wodurch SCR₂ in den stromleitenden Zustand gebracht wird, sobald die B-Phase durch 0 bei dem nach positiv gehenden Kippen bei ijt = 2/3JT gelangt. Dies ermöglicht, daß Energie in eine Last L₂ und die Primärwicklung eines Transformators T₃ fließt.

Die positive Spannung, die in T₃ aufgebaut wird, wird dem SCR₃-Gatter aus der Sekundärwicklung des Transformators (E.F.) über D_ und R_ zugeführt, wobei SCR- in einen stromleitenden Zustand gebracht wird, wenn die Y-Phase durch Null bei der negativen Neigung bei iOt = X , wodurch Energie in eine Last L₃ fließen kann.

Bei Ut = T ist die Y-Phase bei O, so daß die Spannung am SCR₁-

die Gatter O ist und da die Y-Phase nach negativ geht,wird xn der Sekundärwxcklung von T-, (A.B.) induzierte Spannung durch T, blockiert. Jedoch bleibt SCR, stromleitend, bis die der R-Phase aufgegebene Spannung auf Null bei U)t = 4/3^7" fällt.

Nach ujt = Jf geht die T, aufgegebene Spannung nach negativ, und wenn diese ansteigt, wird SCR₄ aus der Sekundärwicklung T, (G.H.) über D₄ und R. eine Gleichspannung aufgegeben, die SCR₄ in den stromleitenden Zustand bringt, sobald die R-Phase O durchläuft, Ut = 4/3λ auf der positiven Neigung. Nunmehr wird Energie durch SCR₄ zur Last L, und zum Transformator T₂ durchgelassen.

Die Spannung von T₂ steigt nunmehr positiv an, wobei eine Gleichspannung an das Gatter von SCR₅ aus der Sekundärwxcklung T₂ (I.J.) über D, und R eingespeist wird, wodurch SCR₅ bei iOt = 5/3-T zünden kann, was dazu führt, daß die B-Phase Energie in die Last L~ ^un<3 den Transformator T₃ einspeist.

Bei ti>t = 4/3 JTwird die Spannung an das Gatter von SCR₂ durch D₂ blockiert, wodurch SCR₃ abschalten kann, wenn die B-Phase auf O bei Ut = 5/3 JT fällt.

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Wenn die B-Phase negativ ansteigt, wird eine Gleichspannung an .das Gatter von SCR_g aus der Sekundärwicklung C₃ (K.L.) über D-6 und R-6 angelegt, SCRg wird stromleitend, sobald die Y-Phase durch 0 auf der positiven Neigung bei üt = 2JT läuft.

Die Spannung am Gatter von SCR₃ wurde durch D₃ bei iat = 5/3JT blockiert, wodurch SCR- abschalten k<
spannung auf 0 bei Cit = 2JT fällt.

blockiert, wodurch SCR₃ abschalten konnte, wenn die Y-Phasen-

Diese Vorgänge werden fortgesetzt, die entsprechenden SCR werden bei der Nullspannung ein- und ausgeschaltet und die volle Energie an die dreiphasige Last wird aufrechterhalten.

Damit die Schaltanordnung einwandfrei arbeitet, ist es erforderlich, daß der Trans formator-Phasenabgleich einwandfrei ist.

Die Beschreibung wurde auf die Wxzögerungszündung abgestellt, durch Umkehr der Primäranschlüsse des Transformators kann jedoch Phasenvoreilzündung erhalten werden.

Die Abschaltfolge ist wie folgt:

Wenn der Schalter S, zum Zeitpunkt y in Fig. 3 geöffnet wird, wird die Spannung an das Gatter von SCR, und SCR₄ entfernt, so daß dann, wenn die R-Phase durch 0 geht,die Energie zur Last L-. und zum Transformator C₃ gesperrt wird. Dies entfernt die Gatterspannung von SCR₂ und SCR-, so daß dann, wenn die B-Phase durch 0 geht, Energie von L₂ und T₃ gesperrt wird, wobei die Gatterspannung von SCR₃ und SCR₆ entfernt wird. Wenn im Anschluß daran die Y-Phase durch 0 geht, wird Energie von der Last L₃ gespeirt und das Herunterfahren in einem Halbzyklus abgeschlossen.

Nachstehend wird eine praktische Anwendung der Erfindung anhand eines Beispieles erläutert.

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Bei- einem Rotorblatt-Klebeverfahren, bei dem unterschiedliche Temperaturen an unterschiedlichen Segmenten einer Rotojblatt-Klebeanlage 1 erforderlich sind und diese Temperaturen konstant gehalten werden müssen, ist vorliegende Erfindung mit großem Erfolg angewendet worden.

Die Rotorblatt-Klebeanlage 1 ist in eine Anzahl von Abschnitten aufgeteilt und jeder Abschnitt in zwei Segmente 2 und 5 unterteilt. Jedes Segment ist mit einer Vielzahl von Heizvorrichtungen 4 ausgerüstet und wird getrennt aus dem Dreiphasennetz 5 gespeist, wobei die elektrische Energie in jedem Segment durch die Schaltanordnung 6 gemäß der Erfindung gesteuert wird.

In jedem Abschnitt wird ein Segment von einem Programmsteuergerät 7 und das andere Segment von einem Abweichungssteuergerät 8 gesteuert, wobei die Programm- und Abweiehungssteuergeräte anstelle des Schalters S₁ gesetzt werden, so daß jeder Satz von Heizvorrichtungen getrennt gespeist wird.

Eine Thermoelementrückkopplung 9 zum Programmsteuergerät steuert die Temperatur der Heizvorrichtungen, die von dem Programmsteuergerät gespeist werden, und ein paralleler Ausgang aus dem Thermoelement des Programmsteuergerätkreises, das gegensinnig mit einem Thermoelement 10 in den von dem Abweichungssteuergerät gespeisten Heizvorrichtungen verbunden ist, gewährleistet, daß das Abweichungssteuergerät die Heizvorrichtungsspeisung schaltet, wenn ein vorbestimmter Temperaturunterschied erzielt wird.

Eine Doppelschaltung wird in jedem Abschnitt über die gesamte Länge der Rotorblatt-Klebeanlage verwendet, obgleich die Betriebstemperaturen, die Programm- und Abweiehungssteuergeräte für den speziellen Abschnitt in der erforderlichen Weise aufgebaut sind.

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In Zusammenhang mit Fig. 5 ist für den Betrieb einer Einphasenschaltung die Spannung der Sekundärwicklungen SEC₁ und SECp des Transformators T-, so hoch wie möglich zu wählen, damit die siiζ!umgesteuerten Gleichrichter früh genug in jeder Halbperiode zünden, daß sie geschaltet werden, wenn nur ein sehr kleiner Strom in der Last L fließen kann, so daß eine HP-Strahlung aufgrund einer hohen Stromschaltung vermieden wird.

In Einphasenschaltungen ist es nicht möglich, die Schaltung der Einspeisung bei 0 Volt, d.h. im Kreuzungspunkt, bei dieser Art von Zündschaltung auszulegen. Der tatsächliche Zündwinkel kann sich von nahe 0 bis 90° ändern, und deshalb muß bei der Auswahl der Sekundärspannungen des Transformators T₁ sorgfältig vorgegangen werden. Diese Spannung muß hoch genug sein, daß die Gleichrichter gezündet werden, jedoch niedrig genug, daß ein Durchschlagen des Gatters aufgrund von Einschaltspitzen vermieden wird.

Wenn die Sekundärspitzenspannung des Transformators so niedrig ist, daß die Torspannung gerade das Gleichrichterzündpotential erreicht, tritt ein Zünden des Gleichrichters bei 90° auf, da dies der Winkel ist, bei welchem der Eingang und damit die Gatterspannung das Maximum erreicht.

Obgleich es möglfeh ist, eine sehr hohe Spannung aus den Sekundärwicklungen des Transformators T-, und einen entsprechend hohen Serienwiderstand zur Begrenzung des Gleichrichtergatterstromes zu erzielen, wodurch ein geringer Zündwinkel erzielt wird, wäre es vorteilhafter, die Spitzenspannung der Sekundärwicklungen des Transformators T-, auf die maxinale Gatterspannung des verwendeten Gleichrichters zu begrenzen, und dann einen. entsprechenden Wert für einen Serienwiderstand für eine einwandfreie Strombegrenzung zu wählen. Die Einstellung der oberen Spannung auf diese Weise vermeidet ein Durchschlagen des Gleichriehtergatters aufgrund einer zu hohen Spannung, die angelegt wird, wenn der Schalter SW geschlossen ist, falls

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die Netzkurvenform ihren Spitzenwert oder die Nähe dieses Wertes erreicht hat.

Anhand eines AusfUhrungsbeispieles wird nachstehend der siliziumgesteuerte Gleichrichter in Form eines Mullarfi BTY34-400R in der gezeigten Schaltung (Fig. 5) gezeigt:

Maximale Gatterspannung = 10 Volt Scheitelspannung Minimale Gatterspannung, die zum Triggern aller Einheiten erforderlich ist = 3 V

Maximaler Gatterenergieverbrauch = 5 V Scheitelwert Maximaler Gattersteuerstrom = 2 A Scheitelwert Minimaler Gattersteuerstrom « 30 HA Scheitelwert Maximaler Vorwärtsstrom = 10 A Effektivwert .*. T, Primärwicklung = 240 V Effektivwert

.'. T₁ Sekundärwicklungen = 7,07 V Effektivwert = 10 V Scheitelwert Gatterschaltungswiderstand = Widerstand von Sekundärwicklung + Vorwärtswiderstand der Diode + R

desamtgatterschaltungswiderstand R™ bei Grenzwerten von 100 Jl bis 3,3 0hm.

Bei R_T ist gleich 100 -beträgt der maximale ZUndwinkel = Sin'¹ ^ £=■ 17,5°

Λ Speisespannung bei 17,5* = 340 χ 0,30071 = 102Y.

Bei voller Belastung 14.14 A Spitzenlastspannung = 340 V Scheitelwert

• 7 _ 340 - 24 Jl.
• ' ^ΔΣ ~ 14.14 ~ ^ ^Jt""

Im ungünstigsten Fall beträgt der Laststrom bei einem Zündwinkel von 17,5° = ·|ιρ = 4,25 A, d.h. 30% Vollast.

Um den ZUndwinkel auf eine«, annehmbareren Grenzwert tu bringen, kann eine Transformatorsekundärepanung höheren Wertes, z.B. 25 V Scheitelwert venendet werden.

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lV R_T> 12,5 Λ

Bei R_T = 100 Jl beträgt der maximale ZUndwinkel = Sin"¹ |f=2= Die Speisespannung bei 7° beträgt 340 χ 0,12 = 41 V. z_L = 24Jl

Im ungünstigsten Fall beträgt der Laststrom bei einem Zündwinkel von 7° = τρρ = 1,7 A, d.h. 12$ Vollast.

Bei einer Verringerung des Zündwinkels auf diese V/eise ist es zweckmäßig, einen Schutz für den siliziumgesteuerten Gleichrichter vorzusehen. Diese Schutzvorrichtung kann als Zenerdiode parallel zur Gatterschaltung nach Fig. 5 ausgebildet werden und ist gestrichelt eingezeichnet (D-, und

Im Rahmen der Erfindung lassen sich zahlreiche Verbesserungen und Variationen der Schaltanordnung nach vorliegender Erfindung, wie sie in Verbindung mit vorstehendem Ausführungsbeispiel erläutert worden ist, vornehmen; z.B. kann die Erfindung für Lasten in Deltaschaltung verwendet werden, es können Triacröhren anstelle der siliziumgesteuerten Gleichrichter verwendet werden, wobei dann jeder Transformator nur eine Sekundärwicklung benötigt und die Dioden entfallen können, oder aber es können die Dioden und Widerstände bei sorgfältiger Auslegung und Fertigung des Transformators weggelassen werden. Obgleich der Schalter S-, als mechanische Vorrichtung dargestellt worden ist, kann er auch ein Halbleiterschalter sein, der durch eine elektronische Einrichtung, z.B. einen Überlappungspunktdetektor, einen StromstoßzündrruJdul oder einen Ein-Aus-Regler mit einstellbarem Verhältnis gesteuert wird. Durch Einführen eines Schalters anstelle des Widerstandes in einer der beiden Sekundärwicklungen in Jedem Transformator braucht nur die halbe inergie zugeführt werden, wobei dit SekundÄrwicklungen im gleichen Sinn« offengeschaltet werden können. Die Schalt-

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anordnung, die eine Widerstandsbelastung in dem dargestellten Ausführungsbeispiel steuert, kann in gleicher V/eise eine kapazitive, induktive oder dergl. Last steuern, und kann auch zur Geschwindigkeitssteuerung von Motoren verwendet werden, wodurch Energie eingespart wird.

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Claims

23.6.1972 W/He - 11 - w/p 7449 Patentansprüche:

1./ Steuerschaltung zum Schalten von Einphasen- und Mehrphasen-TIetζen, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung der Zündeinrichtung eine Thyristoranordnung steuert, die eine elektrische Last aus einer Mechselstromquelle speist, wobei die elektrische Last elektrisch mit den Stromquellen bei oder nahe Nullspannung verbunden ist, und daß die Einphasen- und Mehphasennetze durch einpolige Schalteinriehtungen steuerbar sind.

2. Steuerschaltung zum Schalten von Einphasennetzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung der Zündeinrichtung eine Thyristoranordnung schaltet, die eine elektrische Last etwa bei Nullspannung an ein Einphasennetz leg^n.

3. Steuerschaltung zum Schalten von Mehrphasennetzen, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Zündeinrichtung von einem einpoligen Sehalter schaltbar ist, daß die erste Zündeinrichtung eine Thyristoranordnung in der nachfolgenden Phase und die Thyristoranordnung eine Zündeinrichtung in der gleichen Phase, und im Anschluß daran jede Phase die nachfolgende Phase der Reihe nach schaltet, wobei das Schalten der Reihe nach beim Spannungsnulldurchgang der ^hase in positivem und negativem Sinn auftritt, wobei die Schaltphase die Zündvorrichtung für die Thyristoranordnung in der nachfolgenden Phase speist, und wobei die Thyristoranordnung in jeder Phase weiter so ausgelegt ist, daß eine Last mit einer Wechselstromquile verbunden wird.

4. Steuerschaltung zum Schalten von Mehrphasennetzen, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Zündeinrichtung von einem einpoligen Schalter schaltbar ist, daß die erste Zündeinrichtung eine Thyristoranordnung in der vorausgehenden Ihase und die Thyristoranordnung eine Zündeinrichtung in der gleicheiPhase und im Anschluß daran jede Phase die vorausgehende Phase der Reihe nach schaltet, wobei das Schalten der Reihe nach bdn Spannungsnulldurchgang der Phase in positivem und negativem

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Sinn auftritt, wobei die Schaltphase die Zündvorrifotung für die Thyristoranordnung in der vorausgehenden Phase speist, und wobei die Thyristüranordnung in jeder Phase weiter so ausgelegt ist, daß eine Last mit einer Wechselstromquelle verbunden wird.

5· Steuerschaltung nach Ansprüchen 1, 2, 5 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündeinrichtung eine Transformatoranordnung mit zwei unabhängigen, gleichgerichteten und strombegrenzten Ausgängen entgegengesetzter Polarität■besitzt.

6. Steuerschaltung nach Ansprüchen 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Thyristoranordnung eine Vielzahl von siliziumgesteuerten Gleichrichtern aufweist, die in jeder Phase so geschaltet sind, daß sie positive und negative Halbperioden schalten.

7. Steuerschaltung nach Ansprüchen 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündeinrichtung einen Transformator mit einer einzigen Sekundärwicklung aufweist, und daß die Transistoranordnungen Triacröhren sind.

8. Steuerschaltung nach Ansprüchen 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündeinrichtung einen Transformator aufweist, der keine Gleichrichtung oder Strombegrenzung zur Steuerung der Thyristoranordnung erfordert.

9. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einpolige Schaltvorrichtung ein Halbleiter ist, der durch einen Überlappungspunkt-Detektor gesteuert ist.

10. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einpolige Schaltvorrichtung ein Halbleiter ist, der durch ein Stromstoßzündmodul gesteuert ist.

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11. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, ■dadurch gekennzeichnet, daß die einpolige Schaltvorrichtung ein Halbleiter ist, der durch einen Regler mit einstellbarem EIN-AUS-Verhältnis steuerbar ist.

12. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder einem der vorausgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung für die Geschwindigkeitssteuerung von Motoren.

13. Steuerschaltung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannungssteuervorrichtung zum Schutz der Thyristoranordnung vorgesehen ist.

14. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Schaltvorrichtung zur Isolierung eines Teiles der Zündeinrichtung zum Einspeisen halber Energie vorgesehen ist.

15· Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder, einem der vorausgehen-' ,den Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Steuerung der Energie, die in einer Rotorblatt-Klebeanlage eingespeist wird.

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