DE2424767C3 - Schaltungsanordnung zur Regelung der Wirkleistung bei Wechselstromverbrauchern mittels taktender statischer Wechselstromschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur quasistetigen Regelung der Wirkleistung bei Wechselstromverbrauchcrn mittels in Abhängigkeit von einer Regelspannung taktender statischer Wechselstromschalter mit zumindest jeweils einer in den Verbraucherstromkreisen angeordneten Gegenparallelschaltung zweier Thyristoren, wobei das Taktverhältnis jeweils durch den Verbraucherstrom und die Verbraucherspannung, die der Regelspannung überlagert werden, beeinflußbar ist und die Thyristoren der WechHstromschalter durch die in einem das Taklverhältnisund die Taktfrequenz bestimmenden RC-Neizwerk überlagerte Regelspannung über eine Synchronisiereinrichtung mittels eines impulsgeber gesteuert

Es ist eine derartige Anordnung mit einer die Istgrößen des.Verbraucherstromes und der Verbraucherspannung zur unterlagerten Regelung, insbesondere zur Temperaturregelung beim Heizen, getrennt rückführenden Einrichtung, bei der mittels Schwellwertglieder die Rückführung des Verbraucherstrom-istvvertes zur Strombegrenzung wirksam gemacht wird, durch die DT-OS 20 31 439 bekannt. Mit dieser Anordnung können, soweit die Strombegrenzung nicht wirksam ist, Schwankungen der Versorgungsspannung und der Belastung durch Spannungsregelung mittels Veränderung des Taktverhältnisses und/oder der Taktfrequenz hinreichend gut ausgeregelt werden. Eine Leistungsregelung ist damit nicht möglich.

Ferner ist eine entsprechende Regelungsanordnung in der US-PS 34 09 821 beschrieben, mit welcher eine auch von Schwankungen der Phasenlage und der Frequenz unabhängige Ausgangsspannung durch Phasenanschnittsteuerung mittels eines Thyristorstellgliedes erzielt wird. Hierbei wird die Ausgangsspannung durch Gleichrichtung als Gleichspannung erfaßt und mit einem Sollwert verglichen. Die dabei auftretende Regelabweichung steuert durch Vertikalsteuerung mit Hilfe einer Sägezahnspannung die Phasenlage der Zündimpulse für das Thyristorstellglied, die ein schaltbarer Impulsmodulator aus der ungeregelten schwankenden Wechselspannung erzeugt.

Bei dieser Regelungsanordnung wird außerdem durch einen Stromwandler mit nachgeordneter Gleichrichtung und Glättung und ebenfalls mittels Schwellwertglieder die Rückführung des Verbraucherstromes als Gleichspannung zur Strombegrenzung beim Auftreten von überströmen, die eine bestimmte vorgegebene Stromstärke überschreiten, wirksam gemacht. Dies geschieht dadurch, daß beim Auftreten eines Uberstromes der Impulsmodulator über die Vertikalsteuerung unmittelbar abgeschaltet wird. Eine Leistungsregelung ist mit dieser Regelanordnung ebenfalls nicht möglich.

Durch die DT-OS 22 19 229 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Leistung, insbesondere von kurzzeitig fließenden Wechselströmen, bekannt, wobei Spannung und Strom kontinuiert gemessen, multipliziert und die Multiplikationsgrößen (Produkt) über höchstens mehrere Halbperioden integriert werden. Die hierdurch erhaltene Integrationsgröße wird einer Anzeigevorrichtung zugeführt und kann als Istgröße für die Leistungsregelung verwendet werden.

Bei den in der verfahrenstechnischen Industrie vorkommenden Heizvorgängen und Wärmesteuerungen wirken sich Schwankungen der Versorgungsspannung, wie z. B. Netzschwankungen sowie auch Belastungsschwankungen, als Störeinflüsse aus. Diese Störeinflüsse werden bei einer Temperaturregelung über die Zeitkonstante des Temperaturregelkreises ausgeglichen.

Aus der Zeitschrift »Elektronik«, 1965, Heft 3, Seite 79, Abschnitt 5.1 ist es grundsätzlich bekannt,

eiieunß abweichend von dem in der ?g^9 beschriebenen Meßverfahren die

^ilriunE von Spannung und Strom durch _Prüduktb.ldunfc vo ι ^.^ _ ^

Zeit - ^Amplll„l'en Hierbei werden Spannung und ^fahren);_u ^Or^rch penSch wiederkehrend. Impulse mit Strom «lurch penoa Impulshöhe und

fÄ proportionalen Impulslänge dargei lift i dem Produkt au,

fÄm proportionalen pg g ^einf ^dn> Integration liefert eine dem Produkt au, _stelU. Delnegraton proportionale Span-

_Impulshohe ^^'X'Söße Tür die Leistung*- ^US Ä i

7Ίΐ, und einem Temperaturfühler F am Verbraucher V zugeordnet, in welchem Regelkreis d.e Le.stungsregtlung der Temperaturregelung,unterlagert ist. Es* u ^^. ^^ ^ _RegeIgi_CIchspan„_ung υ der Teperaturregelung am Ausgang des Reglers R d.e SoIlgröße P_Sp„ der Verbraucherleistung geb.ldet welche Größe am Eingang des Komparator* K der Ist größe P₁₁₁ der Verbraucherle.stung, d.e= am Au*«.£ hl AiS d ^^ J^

^aUS

^' ^aUS Ä weiden kann
regelung gebadet ^werden kan

_Ausgehend von^ J^

größe P₁₁₁ de g

des Modulat.onsschalters AiS des ^^ gebildet wird, entgegengeschaltet ist. Der Soll-Is Vergleich der Leistungsregelung w.rd mit Hilfe, de Komparator K durchgerührt, dessen Ausgang m t ρ ^ ^^ _{di Span der} Wechse 1-

homsiere.nnchtung.

Merkmale des Anspruchs 1 einem

kennzeichnenden

gelöst. 30

Ein durch die Erfindung erzielter Vorteil wird vor allem darin gesehen, daß bei der nach dem Taktprinzip geschalteter Schwingungspakete durch Veränderung des Taktverhältnisses vorgenommenen Leistungsregelung die durch Tastmodulation dargestellte 35 Istgröße der Wirkleistung noch bis zu einem Leistungsfaktor cos φ von 0,7 ausreichend mit der wahren Wirkleistung übereinstimmt. Dies wird am Schluß der nun folgenden Beschreibung eines Ausfuhrungsbeispieles der Erfindung näher dargelegt. 40

In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung in F i g. 1 eine Schaltungsanordnung zur quasistetigen Regelung der Wirkleistung bei einem einphasigen Wechselstromverbraucher mittels eines taktenden statischen Wechselstromschalter mit einer 45 Gegenparallelschaltung zweier Thyristoren dargestellt.

F i g. 2 zeigt das Diagramm einer in Abhängigkeit vom Verbraucherstrom impulsbreitenmodulierten Gleichspannung. ?<

F i g. 3 zeigt das Diagramm einer in Abhängigkeit vom Verbraucherstrom nach F i g. 2 tastmodulierten zweiweggleichgerichteten Verbraucherspannung.

In der F i g. 1 ist eine Schaltungsanordnung des Leistungsreglers abgesetzt von dem Verbraucherstromkreis dargestellt. Dieser setzt sich aus der Reihenschaltung einer Wechselstromquelle N, einer Gegenparallelschaltung zweier Thyristoren TZi₁ und Th₂ und einem Verbraucher V zusammen. Die wesentlichen Bestandteile des Leistungsreglers sind ein <*> als Multivibrator M verwendeter Operationsverstärker O₁, eine als Modulationsschalter MS ausgebildete Schaltstufe mit einem Schalttransistor ρ und ein Komparator K mit einem Operationsverstärker O₂. Der Leistungsregler ist einem Temperatiirregelkreis, ⁶' bestehend aus einem Regler R, dem Komparator K, einer Synchronisiereinrichtung S, dem statischen Wechselstromschalter mit den Thyristoren TZi₁ und

einem Brückengleichnchter u₂ uuu ch^l ^~. __z

für die Darstellung der zweiweggleichgerichteten Verbraucherspannung U₁,. Es wird die Gleichspannung U_y dem invertierenden Eingang des als Multivibrator M verwendeten Operationsverstärkers O₁ zugeführt. Dieser ist mit einem Rückfuhrwiderstand R₂ beschaltet, und es liegt der nichtinvertierende Eingang »+« am Teilungspunkt eines mit dem Verstärkerausgang verbundenen Spannungsteilers mit zwei Widerständen R₁, R₂ sowie ferner an einem an Betriebsspannung U₁₁ gelegten Spannungsteiler mit dem Widerstand R₁ und einem Widerstand R₄., so daß im Betrieb des Operationsverstärkers O₁ bei Zuführung der Gleichspannung U_y über ein RC-Glied R', C an den invertierenden Eingang » —« ein schwingendes Potential am Eingang » +« sich ausbildet, dessen Schwingweite die Hysteresisspannung U_H der Multvibratorschaltung darstellt. Am Ausgang des Operationsverstärkers O₁ entsteht eine tastmodulierte positive Gleichspannung U₄ mit einem dem Betrage des Momentanwerts der Gleichspannung - U_y proportionalen Tastverhältnis. Durch den Rückfuhrwiderstand R₂ und einen Rückführwiderstand R₃ besteht eine Kopplung der Eingänge » + « und » —« mit dem Ausgang des Operationsverstärkers O₁. In dem Diagramm der F i g. 2 ist die Taslmodulation durch das Schalt-Pausen-Zeitverhältnis '-¹ des Multivibrators dargestellt. Das Tast-

I₂

verhältnis dieser Modulation ist ----- definiert. Bei

r, + I₂

jeweils konstantem Tastverhältnis bestehen mit der Schnellspannung U_s und der Hysteresisspannung U_n des Multivibrators die folgenden Beziehungen h ₌ 2U_»_ U₁₁

T -2 U₁. U,_m

^L" ^Us R₁+R₂ f U_S + 2U_V " l\-2υ_Ληι· worin U_Am den zeitlichen Mittelwert von U, bedeutet.

Hieraus ergibt sich

Die tastmodulierte Spannung U₄ ist über eine Diode D₁ und einen Widerstand R₅ der Basis des als Modulationsschalter MS verwendeten Schalttransistors ρ zugeführt, welcher in Emitterschaltung angeordnet ist. Die an der Bürde B₂ anstehende Verbraucherspannung U_v ist über einen Widerstand R,, dem Kollektor und über einen Widerstand R₇ der Basis des Transistors ρ zugeführt. Dessen Steuerstrecke ist eine Schutzdiode D₂ parallel geschaltet. Bei Steuerung des Schalttransistors ρ durch die tastmodulierte Gleichspannung U_Ä entsteht am Ausgang A des Modulationsschalters MS aus der zweiweggleichgerichteten Verbraucherspannung U₁. eine im Takte der Tastmodulation getastete Spannung U_1n, deren Diagramm in F i g. 3 dargestellt ist. Die Diagramme der F i g. 2 und 3 sind zeitlich einander zugeordnet und haben Abzissen mit gleichen Zeitmaßstäben. Die Verbraucherspannung U_v ist mit dem gleichen Tastverhältnis wie die Betriebsspannung U₁, des Operationsverstärkers O₁ moduliert, so daß der zeitliche Mittelwert U_n, der tastmodulierten Spannung U_n,, der in der F i g. 3 gestrichelt dargestellt ist, der Istgröße der Verbraucherleistung P_r proportional ist. Mittels einer dem Ausgang des Modulationsschalters MS parallelgeschalteten Siebkette, ein Reihen-RC-Glied mit einem Kondensator C₁ und einem Widerstand R₈, welches Bestandteil eines das Taktverhältnis und die Taktfrequenz des statischen Wechselstromschalters (Thyristoren Th₁, Th₂) bestimmenden Netzwerkes ist, wird die tastmodulierte Spannung U_n, geglättet. Der Kondensator C₁ erhält dabei eine Gleichspannung, welche den zeitlichen Mittelwert U_n, der tastmodulierten Spannung U_n, darstellt. Das erwähnte Netzwerk enthält ferner eine Siebkette mit einem Widerstand R₉ und einem Kondensator C₂, welcher dem invertierenden Eingang » —« einen als Komparator K verwendeten Operationsverstärkers O₁ vorgeschaltet ist, dessen nichtinvertierender Eingang » 4-« an das Bezugspotential der beschriebenen Schaltungsanordnung insgesamt gelegt ist. Schließlich enthält das Netzwerk noch ein RC-Glnd R₁₀, C₂, welches dem Ausgang des Reglers R für die Temperaturregelung parallel geschaltet ist und von welchem C₂ dem invertierenden Eingang » —« des vorerwähnten Komparators K parallelliegt.

In dem RC-Netzwerk ist die Spannung U_n,, welche den Istwert einer Verbraucherleistung P₁, darstellt, der die Sollgröße P_So„ der Leistungsregelung darstellenden Regelgleichspannung U₁. entgegengeschallet, so daß der Komparator K die Differenzspannung U_R— U_n, als Steuergröße für die Leistungsregelung erhält. Der Komparator weist Schwellwerthysterese auf. Hierdurch wird die Differenzspannung U_R—U_m im Größenwert und in der Polarität fur die Phasenlage der Ausgangssignale des Komparators K und schließlich für das Taktverhältnis und die Taktfrequenz des Wechsclstromschaltcrs bestimmend. Mittels der Synchronisiereinrichtung S werden dabei die Steuerimpulse für die Thyristoren des Schalters in den Nulldurchgängen der Spannung der Wechselstromqucllc gesetzt.

Die Lehre der Erfindung geht von der Voraussetzung aus. daß die Tastmodulation der glcichgerichteten Verbraucherspannung U₁, stromproportional durchführbar ist, so daß der zeitliche Mittelwert U_n, der tastmodulierten Spannung_U_m der Verbraucherleistung P₁, proportional ist (Ü_m~P„). Unter dieser Voraussetzung stellt der Leistungsregler der beschriebenen Schaltungsanordnung ein System G mit linearen Ubertragungseigenschaften dar, das heißt, es besteht ein linearer Zusammenhang zwischen der bei der Leistungsregelung zeitlich veränderlichen

ίο Leistungs-Istgröße P₁, (i) und der die Leistungs-Sollgröße darstellenden Regelgleichspannung U_R (t). Dieser Zusammenhang läßt sich, da dem übertragungssystem G eine veränderliche Eigenzeit t' zuzuordnen ist, als eine spezielle Lösung einer lineraren Differentialgleichung mit konstanten Koeffizienten anschreiben (vgl. zum Beispiel Bau Ie, Die Mathematik des Naturforschers und Ingenieurs, Band VI, Partielle Differentialgleichungen, 3. Auflage 1950, 11, Seiten 32 und 33).

An(O= / U_R

(t) · G(i-i') df.

Die Integralform der speziellen Lösung P₁, (i) stellt eine aus den Größen U_R und G gebildete Korrelationsfunktion der Zeit f dar (s. We hrmannin Siemens Norma-Techn. Informationen 9 [1972], H. 2, Seiten 1 und 2), in welcher die Aussage enthalten ist, daß bei der Leistungsregelung das Taktverhältnis und/oder die Taktfrequenz des statischen Wechselstromschalters in Abhängigkeit von Schwankungen der Wechselstromquelle N und der Verbraucherlast V verändert werden. Die oben angegebene Integralform der LösungP₁,(i) läßt sich nach Baule (vgl. angegebene Literatur Seite 42, Abschnitt 6) umformen in ein Produkt der Laplace-Transformierten Lder Größen U_R (t) und GU. t').

L[P_r(i)]=

cc cc

= Ju_R(t) ■ e~"" dt -JG[I-I') ■ e""" di'.

Dieses Produkt stellt das Leistungsspektrum als Funktion der Kreisfrequenz ω der Harmonischen von P₁. (M dar.

übrigens hat die Anwendung der obenerwähnten stromproportionalen Tastmodulation einer gleichgerichteten Spannung (Time Division Modulation) als Multiplikationsverfahren zur Darstellung einer Leistung erhebliche Vorzüge gegenüber der Multiplikation mittels spannungsabhängiger Verstärker.

Die Verwendung eines sogenannten Vierquadranten-Multiplizierers beispielsweise erfordert einen bestimmten Aufwand für die zugehörige Multiplizierschaltung sowie noch einen zusätzlichen Verstärker. Die Anwendung der Tastmodulation wird demgegenüber

ho schon dadurch einfacher, als die Darstellung der Leistung in einem Quadranten hinreichend ist und daher gleichgerichtete Größen zur Multiplikation zugeführt werden.

Um abschließend noch darzulegen, wie weit in

hs Abhängigkeit von Leistungsfaktor cos </ die durch Tastmodulation dargestellte Größe U_m(t) mit dem Wirkanteil von P₁(I) übereinstimmt, seien hier die zweiweggleichgcrichteten Größen U₁. (0 und B₁ · /,.(M

[er Verbraucherspannung U₁, (t) und der Bürdenpannung des Verbraucherstromes I₁. (ι) näherungsveise durch abgebrochene Fourierreihen dargestellt.

2/2 \

U_v(t) = — U₁, Π - y COS 2 ,„t\

R₁ /„(0 = ^-

Die oben definierte Gleichspannung Uj, ist nach F i g. 2 identisch mit der Bürdenspannung B₁ · /,. (f), so daß I Uj, (t) I der rechten Seite der Beziehung von B₁ · /„(i) gleichgesetzt werden kann. Die tastmodulierte Spannung U_n, (t) ergibt sich durch Multiplikation der gleichgerichteten Verbraucherspannung U₁, (i) mit

dem Tastverhältnis γ (O

Zum Vergleich dieses Ergebnisses mit dem zeitlichen Mittelwert ρ = -y M₁,/,. cos 7 der Wirkleistung

eines Verbrauchers mit dem Leistungsfaktor cos 7, welchem über einen mit dem Taktverhällnis 1, das heißt ständig geschlossenen Wechselstromschalter ein sinusförmiger Strom / (O zugeführt ist, sei die Größe U_m bei reiner Wirklast (cos 9=1) der mit einem Vergleichsfaklor multiplizierten Größe ρ gleichgesetzt, U_1n = y. p. Es ergibt sich eine Beziehung zwischen konstanten Größen

U₁₁₁(O = γ (t)-U„(t)

₌ 2

U.

τ *- O -

cos 2 _wi)

aus welcher der Anfangswert p₀ bei 7=0 der auf die Leistungseinheit reduzierten Größe ρ (ψ) durch die linke Seite ersetzt werden kann. Somit können reduzierte Leistungsgrößen U und ρ als Funktionen von 7-einander wie folgt gegenübergestellt werden

cos,

) I, § (l +1 cos 2 ,) > ^ g (l + 1)

QDpT

= ^₁ IJί.Μ,,Ί 1-y

~1

cos (2 «ir-t-2 7·)

r- COS

',(Of

Durch Integration nach der Zeit (ergibt sich hieraus der zeitliche Mittelwert Ü_m der tastmodulierten Spannung U_n, (0

T²

*M

cos 2

Diese weichen wie ersichtlich mit von Null aus zunehmender Phasenverschiebung ψ stetig mehr voneinander ab.

Durch eine in Grenzen vorgenommene Modifizierung des Multivibrators M und des Modulationsschalters MS kann eine Veränderung der Bruchfaktoren -5- bewirkt werden, und es hat sich gezeigt,

daß bei Erhöhung auf 0,4 die Übereinstimmung der Größen U und ρ als Funktionen von ψ optimal wird. Es ist leicht nachzuprüfen, daß dann die Übereinstimmung bis zu einer Phasenverschiebung von etwa 7, = 45° noch hinreichend gut ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   I. Schaltungsanordnung zur quasistetigen Regelung der Wirkleistung bei Wechselstromverbrauchern mittels in Abhängigkeit von einer Regelspannung taktender statischer Wechselstromschalter mit zumindest jeweils einer in den Verbraucherstromkreisen angeordneten Gegenparalleischaltung zweier Thyristoren, wobei das Taktverhältnis jeweils durch den Verbraucherstrom und die Verbraucherspannung, die der Regelspannung überlagert werden, beeinflußbar ist und die Thyristoren der Wechselstromschalter durch die in einem das Taktverhältnis und die Taktfrequenz bestimmenden RC-Netzwerk überlagerte Regelspannung über eine Synchronisiereinrichtung mittels eines Impulsgebers gesteuert sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein die zweiweggleichgerichlete Verbraucherspannung (U₁.) in bekannter Weise tastender, in Abhängigkeit von einer von dem ebenfalls zweiweggleichgerichteten Verbraucherstrom (/„) abgeleiteten und mittels eines Multivibrators (M) stromproportional tastmodulierten Gleichspannung (CT₄) gesteuerter Modulationsschalter (MS) verwendet ist und daß zur quasistetigen Leistungsregelung die stromproportional getastete gleichgerichtete Verbraucherspannung (U,,) mittels einer Siebkette des RC-Netzwerkes (R₈, C₁; Rg, C₂), geglättet als Istgröße der Verbraucherleistung (PJ, einer die Sollgröße der Verbraucherleistung darstellenden Regelgleichspannung (U_R) entgegengeschaltet ist und die Regelungsabweichung der Istgröße von der Sollgröße dem Eingang eines der Synchronisiereinrichtung (S) vorgeordneten Komparators (K) zugeführt ist.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Multivibrator (M) ein Vierfach-Komparator mit einem Operationsverstärker (O₁) verwendet ist, bei welchem der invertierende und der nichtinvcrtierende Eingang durch je einen Rückführwiderstand (R₃, R₂) mit dem Ausgang verbunden sind, der nichtinvertierende Eingang mit dem Teilungspunkt eines an Betriebsspannung (U_B) gelegten,. aus zwei Widerständen (R₁, R₄) bestehenden Spannungsteilers verbunden ist und dem invertierenden Eingang als Steuerspannung eine von dem zweiweggleichgerichteten Verbraucherstrom (/„) abgeleitete Gleichspannung (U_y) über ein RC-Glied (R¹C) zugeführt ist.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Modulationsschalter (MS) ein durch die impulsbreitenmoduliertc Gleichspannung (U_A) gesteuerter Schalttransistor (p) in Emitterschaltung verwendet ist, bei welchem an Kollektor und Basis über jeweils einen Widerstand (R₆, R₇) die zweiweggleichgerichtete Verbraucherspannung (U,,) angelegt ist.

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