DE2323767B2

DE2323767B2 - Schaltungsanordnung zum steuern eines drehstromstellers

Info

Publication number: DE2323767B2
Application number: DE19732323767
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. 8000 München; Wlaka Michael Dipl.-Ing. 8012 Ottobrunn Kraus
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1973-05-11
Filing date: 1973-05-11
Publication date: 1977-05-12
Also published as: DE2323767A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Steuern eines aus Thyristoren bestehenden Drehstromstellers, wobei die Steuerelektroden der Thyristoren mit einer Einrichtung zur Erzeugung von netzsynchronen, in der Phasenlage stetig verstellbaren Zündimpulsen verbunden sind.

Bei Drehstromstellern erfolgt die Steuerung der Wechselstromleistung bekanntlich durch eine sogenannte Phasenanschnittssteuerung, durch die die Zündimpulse für die Thyristoren so in ihrer Phasenlage relativ zur Speisespannung verschoben werden, daß die Thyristoren für einen von einer Steuergröße abhängigen Teil der Wechselstromperiode öffnen und dabei die Speisespannung zur Last durchschalten.

Durch die Zeitschrift für Messen, Steuern, Regeln, 1972, Heft 12, S. 255 ist ein Drehstromsteller der eingangs genannten Art bekannt, bei dem die Synchronisierung mit getrennten Synchronisier-Transformatoren erfolgt. Ir. nachfolgenden, je einer Drehstromphase zugeordneten Sägezahngeneratoren und Vergleicherstufen wird die zeitliche Zuordnung der in anschließenden Impulsstufen erzeugten Impulse zu einer Steuerspannung festgelegt. Hierbei werden also alle drei Phasen des Drehstromnetzes als Referenz für die phasenrichtige, in drei parallelen Zweigen erfolgende Erzeugung der Steuerimpulse für die Thyristoren verwendet. Dies bedeutet einen hohen gerätetechnischen Aufwand, der durch den damit erzielten Erfolg nicht ausreichend gerechtfertigt ist. So müssen durch schwer kontrollierbare Toleranzen, insbesondere der Impulsstufen der drei Zweige zwangsläufig auch Toleranzen in der Winkellage der Steuerimpulse in Kauf genommen werden. Die genaue Phasenlage der Zündimpulse ist jedoch besonders wichtig, da sonst

Unsymmetrie!! im Drehfeld entstehen, welche z. B. bei Motoren zu unerwünschten Rüttelkräften und Geräusctsn führen. Veränderungen der gegenseitigen Lage der Drehstromphasen, welche z. B. bei hoher Belastung des Netzes auftreten können, oder Nebstörungen wirken sich bei diesem Drehstromstell?r voll auf die phasenlage der Zündimpulse aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die mit geringem Schaltungsaufwand auskommt, leistungssparend ist, und bei der die Phasenlage der Zündimpulse weitgehend unabhängig von Netzströrungen und Netzungsymmetrien ist.

Eine erste Lösung dieser Aufgabe besteht gemäß der Erfindung darin, daß die Einrichtung zur Erzeugung der Zündimpulse einen allen drei Phasen des Drehstromnetzes gemeinsam zugeordneten Phasenregelkreis enthält, welcher einen steuerbaren Oszillator, eine dem Oszillator nachgeschaltete Rückführungsschleife mit einer Frequenzteileranordnung, deren Teilerverhältnis gleich dem Verhältnis der Frequenz der insgesamt an die Thyristoren des Drehstromstellers zu liefernden Zündimpulse zu der Netzfrequenz ist, mit einem steuerbaren Phasenschieber und einem eine Referenzphase des Drehstromnetzes mit dem Ausgangssignal des Phasen-Schiebers vergleichenden Phasendiskriminator, der den Oszillator steuert, aufweist, wobei die Ausgangsimpulse des Oszillators durch eine Verteilerstufe nacheinander auf die Steuerelektroden der Thyristoren geschaltet werden.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der ersten Lösung gemäß der Erfindung ist dem spannungsgesteuerten Oszillator ein monostabiler Schaltkreis und parallel dazu ein erster Frequenzteiler in Form eines die Ausgangsfrequenz im Verhältnis 1 :3 teilenden Zählers nachgeschaltet, an den ausgangsseitig einerseits ein Dekoder und andererseits der von einer Steuerspannung gesteuerte Phasenschieber angeschlossen ist, der über einen zweiten Frequenzteiler mit einem Teilverhältnis von 1 :2 mit dem Phasendiskriminator verbunden ist, dessen Ausgang über einen Tiefpaß zum Oszillator führt und an dessen Eingang die Referenzphase des Drehstromnetzes liegt, und sind den drei Ausgängen des Dekoders und dem Ausgang des monostabilen Schaltkreises UND-Schaltung2n nachgeschaltet, an deren Ausgängen die den drei Drehstromphasen zugeordneten Zündimpulse abgenommen werden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung dieser Lösung ist dem die Steuerspannung führenden Eingang des Phasenschiebers ein Begrenzer vorgeschaltet.

Hierdurch wird vermieden, daß die Steuerspannung am Eingang des Phasenschiebers größer wird als die Amplitude der vom Frequenzteiler gelieferten Signalspannung. In einem solchen Falle würde nämlich der Phasenregelkreis außer Tritt geraten und dem Phasendiskriminator keine Signalfrequenz mehr zugeführt werden.

Ein Außertrittgeraten des Phasenregelkreises kann nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung auch dadurch verhindert werden, daß zwischen den Frequenzteilern eine Differenzierstufe parallel zu dem Phasenschieber geschaltet ist, die aus den ansteigenden Flanken der den ersten Freque^teiler verlassenden Signale Kontrollimpulse ableitet und mit ihrem Ausgang mit dem zweiten Frequenzteiler verbunden ist.

Da die Phasenlage der Zündimpulse der schnellen Änderunc der Steuerspannung nur mit der Grenzfrequenz des im Regelkreis liegenden Tiefpaßfilters zu folgen vermag und andererseits diese Grenzfrequenz niedrig liegen muß, um Störungen aus dem Referenzsignal ausfiltern zu können, wird der Einfluß des Filters auf die Grenzfrequenz des Phasenwinkels dadurch kompensiert, daß gemäß einer weiteren Ausgestaltung der ersten Lösung gemäß der Erfindung dem Eingang des spannungsgesteuerten Oszillators die differenzierte Steuerspannung additiv aufgeschaltet ibt

Eine zweite erfindungsgemäße Lösung der obengenannten Aufgabe ist durch den Anspruch 6 gekennzeichnet.

Auf diese Weise wird die Netzfilterung und die Frequenzsynthese in zwei getrennten Regelkreisen durchgeführt, so daß die Grenzfrequenzen der beiden Phasenregelkreise für die jeweilige Aufgabe optimiert werden können.

Aus der DT-AS 20 40 893 ist es bei einem netzgel'ührten Stromrichter bekannt, für die Phasenanschnittssteuerung der Thyristoren eines Stromrichters einen Phasenregelkreis zur Vermeidung einer Beeinflussung der Phasenanschnittssteuerung durch Netzoberwellen und -unregelmäßigkeiten zu verwenden. Bei diesem Stromsteller wird jedoch im Gegensatz zu den erfindungsgamäßen Schaltungsanordnungen ein aus den drei Drehstromphasen erzeugtes, als Referenz dienendes Orthogonalvektorsystem verwendet. Die Amplituden der Netzphasen R, S und T würden dabei voll in die Phasenlage der Vektorkomponenten eingehen, so daß sich die Steuerphase durch nie zu vermeidende Netzunsymmetrien verschiebt, wenn nicht die Amplituden der Ortogonalvektoren in aufwendiger Weise stabilisiert werden. Eine Verschiebung der Phasenlage könnte durch den nachgeschalteten Phasenfilte^r nicht mehr eliminiert werden. Als Folge des bei diesem Stromsteller gewählten Prinzips zur Erzeugung der Steuerimpulse ist der gerätetechnische Aufwand wesentlich höher als bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand zweier in der Zeichnung mehr oder minder schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung zum Steuern eines Drehstromstellers gemäß der ersten Lösung nach der Erfindung,

F i g. 2 einen Impulsplan für die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 und

F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung zum Steuern eines Drehstromstellers gemäß der zweiten Lösung nach der Erfindung.

Bei dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel führt die die Referenzphase R führende Leitung zu einem Phasendiskriminator PD, dessen Ausgang über einen Tiefpaß TP zu einem spannungsgesteuerten Oszillator VCO führt. Der Oszillator schwingt auf einer Frequenz von 300 Hz (bei 50-Hz-Netzfrequenz), mit der ein monostabiler Schaltkreis MF, also ein Monoflop, getriggert wird, dessen Ausgang zu drei UND-Schaltungen Ti, Tj und T₃ führt. Die Ausgangsfrequenz des Oszillators ist dem Eingang eines Frequenzteilers FTi zugeFührt, der als Zähler ausgebildet die Frequenz des Oszillators VCO im Verhältnis 1 :3 teilt, so daß an seinem Ausgang eine Frequenz von 100 Hz auftritt, die über einen Dekodierer DCderart dekodiert und verteilt wird, daß drei um 120" versetzte Impulszüge mit einer Frequenz von je 100 Hz auftreten. Die Impulszüge werden über drei Ausgänge den einzelnen UND-Schaltungen Τ,, T₂ und T₃ zugeführt, so daß die Zündimpulse

symmetrisch auf die Ausgänge der UND-Schaltungen und damit der drei Drehstromphasen R, Sund Tverteilt sind.

Es versteht sich, daß anstelle des vom Monoflop MF erzeugten Einzelzündimpulse auch von üblichen Multivibratoren erzeugte Impulszüge den UND-Gattern Ti, T₂ und Ti zugeführt werden können, um die an sich bekannte Zündung der Thyristoren mit Impulszäunen zu realisieren.

Die üblichen Mittel zur Übertragung der Zünd^:mpulse auf die Thyristoren, wie Zündtransformatoren, Impulsverstärker u. ä. sind nicht dargestellt.

Die Signal-Frequenz von 100 Hz wird außerdem einem spannungsgesteuerten Phasenschieber Ph zugeführt. Hier wird eine Sägezahnspannung getriggert, deren Sägezähne jeweils eine konstante Steigung aufweisen, vgl. auch Fig.2, Ziff. 10. Der Augenblickswert eines jeden Sägezahns wird mit einer von außen zugeführten Gleichspannung U_stCuer verglichen. Jedesmal, wenn der Sägezahn die Höhe der Steuerspannung erreicht, wird geschaltet, so daß am Ausgang des Phasenschiebers eine Impulsfolge abnehmbar ist, deren Tastverhältnis über die Steuerspannung veränderbar ist.

Der Phasenschieber Ph ist mit einem Frequenzteiler FT₂ verbunden, der ein Teilerverhältnis von 1 :2 aufweist. Hier wird über die vom Phasenschieber verschobene Flanke der diesen verlassenden Pulsfolge eine Frequenz von 50 Hz erzeugt, welche mit der über die Referenzphase R zugeführten Frequenz von 50 Hz im Phasendiskriminator PD verglichen wird. Die Ausgangssignale des Phasendidkriminators steuern den Oszillator VCO so, daß die Phase der Pulsfolge, die den Frequenzteiler FT₂ verläßt, der Phase der Referenzspannung R ständig nachgeführt wird. Kurzfristige Störungen der Referenzphase, die insbesondere aus dem Stromversorgungsnetz kommen, werden hierbei durch das RC-Tiefpaßfilter TPunterdrückt.

Um das Verständnis der Wirkungsweise der beschriebenen Schaltungsynordnung zu erleichtern, sind an den jeweiligen Aus- bzw. Eingängen der einzelnen Schaltelemente kreisförmig eingerahmte Hinweisziffern φ bis O vorgesehen, mit denen die im in F i g. 2 dargestellten Impulsplan aufgezeichneten Impulsfolgen bezeichnet sind. Des besseren Verständnisses wegen ist hier in der ersten Zeile mit der Impulsfolge φ am Ausgang des Oszillators VCO begonnen worden. Hieran schließen sich die einzelnen mit (2) bis <Q bezeichneten Impulsfolgen an.

Die vorstehend beschriebene Schaltungsanordnung hat die Eigenart, daß der Phasenschieber PH dann kein Signal O mehr abgibt, sobald die Steuerspannung Uneucr größer wird als die Amplitude des Sägezahnes ©. vgl. Fig. 2, Dies hat zur Folge, daß die 50-Hz-frequenz (Q nicht mehr erzeugt wird, so daß der Phasenregelkreis außer Tritt gerät. Um dies zu verhindern, kann entweder ein die Steuerspannung Usicuer beschneidender Begrenzer am Steuereingang des Phasenschiebers oder eine Differenzierstufe vorgesehen werden, die zwischen den Frequenzteilern FT_U FT₂, parallel zu dem Phasenschieber Ph einzuschalten ist. Die Differenzierstufe leitet aus den insteigenden Flanken des 100-Hz-Signals φ einen Kontrollimpuls ab, welcher den Frequenzteiler FT₂ auch dann antreibt, wenn der phasenverschobene Takt © fehlt. Bei normalem Betrieb des Phasenschiebers Ph ist dieser Impuls wirkungslos, da er den Frequenzteiler FT₂ in die Lage schalten möchte, die dieser aufgrund des phasenverschobenen Signals O bereits angenommen hat. Der Einfachheit wegen sind weder die Begrenzungsstufe noch die Differenzierstufe in F i g. 1 eingezeichnet worden.

Die Schaltungsanordnung gemäß dem in F i g. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel weist zwei im Aufbau gleiche Phasenregelkreise 1 und II, die über einen Phasenschieber Ph*\ und einen Frequenzteiler FTm miteinander verbunden sind. Jeder Phasenregelkreis funktioniert wie der in F i g. 1 beschriebene und besteht auch hier aus einem Phasendiskriminator PD< bzw. PDs, einem Tiefpaß TPa bzw. ΓΡ₄₎, einem spannungsgesteuerten Oszillator VCOa bzw. VCO», und einem Frequenzteiler FT43 bzw. FTa₂. Der Phasenschieber ΡΛ41, dem die Gleichspannung U_steucr zugeführt wird, ist hier zwischen beiden Phasenregelkreisen angeordnet

Der Ausgang entspricht ebenfalls der in F i g. 1 dargestellten Schaltungsanordnung und weist einen monostabilen Schaltkreis MFa, einen Frequenzteiler FT41, einen Dekoder DQ sowie die UND-Schaltungen Tau Ta₂ und T« auf, an deren Ausgängen die Zündimpulse R, S, Tabnehmbar sind.

Auf diese Weise wird die im Phasenregelkreis 1 stattfindende Netzfilterung und die im Phasenregelkreis Il stattfindende Frequenzsynthese jeweils getrennt durchgeführt, d. h. jeder Phasenregelkreis kann bezüglich der gewünschten Grenzfrequenz optimiert werden. So ist z. B. bei Drehstromnetzen mit starken Störungen zur Netzfilterung eine möglichst tiefe Grenzfrecjuenz von Vorteil, wohingegen zur Erzielung hoher Anderungsgeschwindigkeiten bei der Regelung der Drehstromphasen eine hohe Grenzfrequenz in dem zur Frequenzsynthese verwendeten Phasenregelkreis II vorteilhaft ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Steuern eines aus Thyristoren bestehenden Drehstromstellers, wobei die Steuerelektroden der Thyristoren mit einer Einrichtung zur Erzeugung von netzsynchronen, in der Phasenlage stetig verstellbaren Zündimpulsen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung der Zündimpulse einen allen drei Phasen (R, S, T) des Drehstromnetzes gemeinsam zugeordneten Phasenregelkreis enthält, welcher einen steuerbaren Oszillator (VCO), eine dem Oszillator (VCO) nachgeschaltete Rückführungsschleife mit einer Frequ^nzteileranordnung (FT_x, FT₂), deren Teilerverhältnis gleich dem Verhältnis der Frequenz der insgesamt an die Thyristoren des Drehstromstellers zu liefernden Zündimpulse zu der Netzfrequenz ist, mit einem steuerbaren Phasenschieber (Ph) und einem eine Referenzphase (R) des Drehstromnetzes mit dem Ausgangssignal des Phasenschiebers (Ph) vergleichenden Phasendiskriminator (PD), der den Oszillator (VCO) steuert, aufweist, wobei die Ausgangsimpulse des Oszillators (VCO) durch eine Verteilerstufe (FTu MF, DC, T_x, T₂, T₃) nacheinander auf die Steuerelektroden der Thyristoren geschaltet werden.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) ein monostabiler Schaltkreis (MF) und parallel dazu ein erster Frequenzteiler (FT_x) in Form eines die Ausgangsfrequenz im Verhältnis: 1 :3 teilenden Zählers nachgeschaltet ist, an den aus gangsseitig einerseits ein Dekoder (DC) und andererseits der von einer Steuerspannung (U_sleUer) gesteuerte Phasenschieber (Ph) angeschlossen ist, der über einen zweiten Frequenzteiler (FT₂) mit einem Teilerverhältnis von 1 :2 mit dem Phasendiskriminator (PD) verbunden ist, dessen Ausgang über einen Tiefpaß (TP) zum Oszillator (VCO) führt und an dessen Eingang die Referenzphase (R) des Drehstromnetzes liegt, und daß den drei Ausgängen des Dekoders (DC) und dem Ausgang des monostabilen Schaltkreises (MF) UND-Schaltungen (T_x, T₂, Ti) nachgeschaltet sind, an deren Ausgängen (R', S', T) die den drei Drehstromphasen zugeordneten Zündimpulse abgenommen werden.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem die Steuerspannung (Steuer) führenden Eingang des Phasenschiebers (Ph) ein Begrenzer vorgeschaltet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Frequenzteilern (FT_x, FT₂) eine Differenzierstufe parallel zu dem Phasenschieber (Ph) geschaltet ist, die aus den ansteigenden Flanken der den ersten Frequenzteiler (FT[) verlassenden Signale Kontrollimpulse ableitet und mit ihrem Ausgang mit dem zweiten Frequenzteiler (FTi) verbunden ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Eingang des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) die differenzierte Steuerspannung (U_s,_euei) aditiv aufgeschaltet ist.

6. Schaltungsanordnung zum Steuern eines aus Thyristoren bestehenden Drehstromstellers, wobei die Steuerelektroden der Thyristoren mit einer Einrichtung zur Erzeugung von netzsynchronen, in der Phasenlage stegig verstellbaren Zündimpulsen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung der Zündimpulse einen allen drei Phasen (R, S, T) des Drehstromnetzes gemeinsam zugeordneten ersten Phasenregelkreis enthält, welcher einen ersten steuerbaren Oszillator (VCO₄) und einen ersten Phasendiskriminator (PD₄) aufweist, wobei der erste Phasendiskriminator (PD₄) eine Referenzphase (R) des Drehstromnetzes mit den vom ersten Oszillator (VCO₄) erzeugten Impulsen vergleicht und den ersten Oszillator 'VCO₄) über einen ersten Tiefpaß (TP₄) steuert, und daß die Einrichtung zur Erzeugung der Zündimpulse einen zweiten Phasenregelkreis enthält, welcher mit dem Ausgang dei ersten steuerbaren Oszillators (VCO₄) über einen steuerbaren Phasenschieber (Ph_4x) verbunden ist und welcher einen zweiten steuerbaren Oszillator (VCO_4x), dessen Ausgangsimpulse durch eine Verteilerstufe (FT_4x, MF₄, DC₄, T_4x, T₄₂, T₄₃) nacheinander auf die Steuerelektroden der Thyristoren geschaltet werden, und einen zweiten Phasendiskriminator (PD_4x) aufweist, wobei der zweite Phasendiskriminator (PD_4x) die vom Phasenschieber (Ph_4x) erzeugten Impulse mit den vom zweiten Oszillator (VCO41) erzeugten und auf gleiche Frequenz wie die des Phasenschiebers (Ph_4x) unterteilten Impulse vergleicht und den zweiten Oszillator (VCO_4x) über einen zweiten Tiefpaß (TP₄₁) steuert.