DE2438614A1 - Leistungsregler zur regelung der leistungsabgabe einer wechselspannungsquelle an eine last - Google Patents

Leistungsregler zur regelung der leistungsabgabe einer wechselspannungsquelle an eine last

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Description

DIPL.-ING. KLAUS NEUBECKER
Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 ■ Schadowplatz 9
24386H
Düsseldorf, 9. August 1974
Westinghouse Electric Corporation
'Pittsburgh, Pa., V. St. A.
Leistungsregler zur Regelung der Leistungsabgabe einer Wechselspannungsquelle an eine Last
•Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Leistungsregler zur Regelung der Leistungsabgabe von.einer Wechselspannungsquelle an eine Last und insbesondere auf solche Leistungsregler, die sich bevorzugt dort einsetzen lassen, wo Größe und Gewicht auf einem Minimum gehalten werden müssen, und die dann Halbleiterelemente anstatt elektromechanischer Bauteile haben.
Der Ersatz elektromechanischer Relais und thermischer Überlastungseinrichtungen durch Halbleiter-Leistungsregler zur Ausübung von Schalt- und Schutzfunktionen in elektrischen Verteilersystemen bringt anerkannte Vorzüge mit sich. Bestimmte Anwendungen solcher Leistungsregler, etwa in Luftfahrzeugsystemen, waren bisher wegen des verwickelten Schaltungsaufbaus zur Ausführung der erforderlichen Funktionen und der damit verbundenen Kosten-, Größen-, Gewichts- und Wärmeableitprobleme sowie der in der Natur solcher vorgeschlagener komplexer Schaltungsanordungen liegenden Unzuverlässigkeit nicht möglich.
Für bisherige Wechselspannungs-Halbleiter-Regler war es typisch, daß sie eine Vielzahl interner Leistungsquellen für die Gewinnung der Gleichleistung von der Wechselspannungsleitung erfordern.
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Typischerweise sind drei isolierte Gleichspannungsquellen erforderlich, für die überdies eine gesonderte Regelung notwendig sein kann. Daher werden gesonderte Leiter für die Speisung der verschiedenen internen Schaltungsbereiche in einer Mehrzahl gesonderter verzweigter Schaltkreise benötigt. Einschlägige Information bezüglich solcher Leistungsregler findet sich in "NAECON Proceedings", Mai 1971, einer Veröffentlichung von D. E. Baker mit dem Titel "Power Controllers For Automatically Controlled Electrical Systems".
Bei einem typischen Beispiel eines Halbleiter-Leistungsreglers einer Bauart nach dem Stand der Technik, auf den hier bezug genommen wird und der zur Veranschaulichung in Fig. 1 der vorliegenden Anmeldung wiedergegeben ist, bestehen die folgenden internen Leistungsversorgungs-Forderungen: Der mit "Leistungsversorgung" bezeichnete Schaltkreisbereich nimmt Wechselleistung von der Wechselspannungsleitung 10 aus auf und gibt Gleichleistung über drei gesonderte, voneinander isolierte Sammelleitungen ab. Die erste dieser Sammelleitungen, die mit 12 bezeichnet ist, führt von der "Leistungsversorgung" zu einem "Ansteuerkreis", um den "Halbleiter-Schalter" anzusteuern. Die zweite dieser Sammelleitungen, die mit 14 bezeichnet ist, verläuft zwischen der "Leistungsversorgung" und dem "Ansteuerkreis" (bisherige Ansteuerkreise für Halbleiter-Schalter mit zwei inversen parallelen Thyristoren erforderten typischerweise zwei isolierte Leistungseingänge) und versorgt außerdem einen "Überstromschutz"-Schaltkreis, einen "Nulldurchgangs"-Schaltkreis sowie einen "Steuerlogik"-Schaltkreis. Die dritte dieser Sammelleitungen, die mit 16 bezeichnet ist, verläuft zwischen der "Leistungsversorgung11 und einem "Gleichspannungssteuerungs"-Schaltkreis. Im Hinblick auf die erforderliche elektrische Isolierung werden für jede Gleichspannungs-Sammelleitung 12, 14 und 16 gesonderte Leistungsversorgungs-Komponenten benötigt. Normalerweise fallen darunter eine gesonderte Sekundärwicklung für jeden Wechselspannungstransformator, dessen Primärwicklung mit der Wechselspannungsleitung verbunden ist, sowie gesonderte Gleichrichter-, Filter- und Regelkomponenten.
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Die Notwendigkeit mehrfacher Leistungsversorgungen bedeutet zumindest .einen kostspieligen aufwendigen Leistungstransformator, der zusätzliche Verarbeitungsprobleme bei der Herstellung mit sich bringt. In Verbindung mit dem Leistungstransformator werden gesonderte Gleichrichtereinheiten und Filter für jede der einzelnen Versorgungen gebraucht. Hinzu kommt, daß der Aufbau verschiedener Gleichspannungsversorgungsschaltungen in Verbindung mit einem einzigen Leistungstransformator eine gewisse Wechselwirkung zwischen den Schaltungen zur Folge haben kann, die die Leistung und die Zuverlässigkeit beeinträchtigt, obwohl die Gleichspannungsversorgungen an sich voneinander isoliert sind.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist die Schaffung eines Leistungsreglers, dessen interner Leistungsversorgungsbedarf gegenüber Leistungsreglern nach dem Stand der Technik auf ein Minimum zurückgeführt ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Leistungsregler zur Regelung der Leistungsabgabe einer Wechselspannungsquelle an eine Last, mit einem Schalter, der einen Leistungs- und einen Lastanschluß sowie mindestens einen Ansteueranschluß aufweist, über den durch selektive Beaufschlagung mit vorgegebenen Ansteuersignalen die Leitfähigkeit des Schalters änderbar ist, erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen Ansteuerkreis zur Beaufschlagung des Schalters mit Ansteuersignalen, der über mindestens einen Ausgang mit mindestens einem Ansteuereingang des Schalters elektrisch verbunden ist und einen Steuereingang sowie einen Leistungseingang hat; eine über Eingänge mit der Wechselspannungsquelle und über einen Ausgang mit dem Leistungseingang des Ansteuerkreises verbundene Leistungsquelle mit Elementen für die Umwandlung von Wechselleistung in Gleichleistung über eine einzige Leistungssammelleitung; einen über einen Ausgang mit dem Steuereingang des Ansteuerkreises und über einen Leistungseingang mit dem Ausgang der Leistungsquelle verbundenen Steuer-Logikkreis; sowie durch mindestens einen über mindestens einen Ausgang an den Steuer-Logikkreis und über mindestens einen Signal-Eingang an die Wechselspannungsquelle ärige-
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schlossenen Steuer- und Schutzkreis, der ohne Speisung von einer von der Leistungsversorgung getrennten Gleichleistungsquelle wirksam ist.
Damit wird ein Wechselspannungs-Halbleiter-Leistungsregler mit einem Schalter erhalten, dessen Ansteuerkreis durch eine einzige Gleichleistung abgebende Leistungsversorgung gespeist wird und dessen Steuer- und Schutzkreise wie ein Überstromschutz-Schaltkreis, ein Nulldurchgangs-Erfassungsschaltkreis sowie ein Logik-Steuerkreis ohne Leistungszufuhr von einer gesonderten Gleichspannungsversorgung arbeiten, vielmehr nur von der Wechselspannungsleitung und derselben Gleichspannungsversorgung wie der Ansteuerkreis mit Leistung gespeist werden. Der Gleichspannungssteuerkreis benötigt keine gesonderte Versorgung innerhalb des Leistungsreglers, sondern wird allein durch das angelegte Steuereingangssignal versorgt.
Durch diese Merkmale erfolgt eine Minimierung des Bedarfs des Reglers an interner Leistungsversorgung, die dann durch einen Transformator mit einer einzigen Sekundärwicklung oder vorzugsweise durch eine transformatorfreie Ausgestaltung wie eine Leistungsversorgung mittels eines Kondensator-Spannungsteilers wahrgenommen werden kann.
Die Verwirklichung der vorliegenden Erfindung bedingt, daß die verschiedenen einzelnen Schaltkreisteile, die bisher gesonderte Gleichspannungsversorgungen brauchten, im wesentlichen "selbstversorgt" gemacht werden. Unter "selbstversorgt" ist zu verstehen, daß die Schaltkreisteile ihre eigene Leistung von der Wechselspannungsleitung oder von derselben Gleichspannungs-Sammelschiene, die den Ansteuerkreis versorgt, oder aber im Fall des Gleichspannungssteuerkreises von einer anderen verfügbaren Gleichspannungsquelle ableiten. Durch einen solchen Aufbau des Systems kann auf eine gesonderte Gleichleistungsversorgung für den Gleichspannungssteuerkreis zur Energieversorgung des Systems, für das tiberstromschutzsystem oder für den Nulldurchgangskreis verzichtet
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werden. Infolgedessen wird nur eine einzige Gleichspannungsversorgung für alle internen Funktionen des Leistungsreglers benötigt. Die Erfindung minimiert daher die Menge erforderlicher Komponenten und deren Kosten sowie Größe und trägt ferner zu einer Erhöhung der Zuverlässigkeit des Leistungsreglers bei.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 schematisch ein Schaltbild eines Wechselspannungs-Halbleiter-Leistungsreglers nach dem Stand der Technik, wie er zuvor erläutert wurde;
Fig. 2 schematisch ein Schaltbild eines Wechselspannungs-Halbleiter-Leistungsreglers nach der Erfindung; und
Fig. 3 schematisch ein weiter ins einzelne gehendes Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Im einzelnen zeigt Fig. 2 einen Halbleiter-Leistungsregler in Form eines einphasigen Schaltbilds zur Regelung der Leistungsversorgung oder Leistungsabgabe von einer Wechselspannungsquelle 8 an eine Last 9 über eine Wechselspannungsleitung 10. Der Leistungsregler weist einen Schalter 20 mit einem Leistungs- und einem Lastanschluß 21 bzw. 22 auf, die an die Wechselspannungsquelle 8 bzw. die Last 9 angeschlossen sind, ferner mindestens einen und im vorliegenden Fall zwei Ansteuereingänge 23 für die selektive Beaufschlagung mit vorgegebenen Ansteuersignalen zur Änderung des Leitfähigkeitszustands des Schalters 20. Es kann mit verschiedenen Schalterausführungen gearbeitet werden, jedoch ist bei der Verwirklichung der vorliegenden Erfindung in erster Linie an einen Schalter gedacht, der grundsätzlich ein Paar inverser paralleler Thyristoren enthält.
Ein Ansteuerkreis 26 dient zur Beaufschlagung des Schalters 20 mit den Ansteuersignalen und hat mindestens einen und im vorlie-
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genden Beispiel zwei Ausgänge 27, die jeweils elektrisch an einen der Ansteuereingänge 23 des Schalters angeschlossen sind. Der Ansteuerkreis 26 ist ferner mit einem Steuereingang 28 für die Beaufschlagung mit Steuersignalen, auf die er anspricht, sowie mit einem Le.istungseingang 29 versehen.
Eine Leistungsversorgung 32 hat Eingänge 33 für den Anschluß an die Wechselspannungsquelle sowie an ein Referenzpotential (Erde oder Null), ferner einen über eine Gleichspannungs-Sammelleitung 36 an den Leistungseingang 29 des Ansteuerkreises 26 angeschlossenen Ausgang 34. Die Leistungsversorgung 32 enthält Elemente für die Umwandlung von Wechselleistung in Gleichleistung unter Filterung und Regelung in der für die Ausgangsleistung der Gleichspannungs-Sammelleitung 36 gewünschten Weise.
Ein Steuer-Logikkreis 38 ist mit einem Ausgang 39 an den Steuereingang 28 des Ansteuerkreises 26 und mit einem Leistungseingang 40 über die Gleichspannungs-Sammelleitung 36 an den-Ausgang der Leistungsversorgung 32 angeschlossen. Der Steuer-Logikkreis 38 weist ferner Signaleingänge 41, 42 und 43 auf.
Eine Mehrzahl weiterer Schaltkreise dient zur Speisung des Steuer-Logikkreises 38 mit Signalen, so daß die verschiedenen Schaltkreisbedingungen oder Eingabewerte zur abschließenden Steuerung des Schaltens des Leistungs-Schalters 20 berücksichtig werden können. In dem veranschaulichten typischen Ausführungsbeispiel sind ein Überstromschutz-Schaltkreis 48, ein Nulldurchgangskreis 50 sowie ein Gleichspannungssteuerkreis 52 vorgesehen, die jeweils an die Signaleingänge 41, 42 bzw. 43 des Steuer-Logikkreises 38 angeschlossen sind.
Der Überstromschutz-Schaltkreis 48 dient zur Abgabe von Signalen für die endgültige Steuerung des Leitfähigkeitszustands des Schalters 20, so daß die Last keinem schädigenden überstrom ausgesetzt wird. Der Nulldurchgangskreis 50 gibt Signale zur abschließenden Steuerung des Leitfähigkeitszustands des Schalters 20 in einer ge-
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wünschten Zuordnung zu Nulldurchgängen des Spannungsverlaufs der Wechselspannungsquelle, wie das für Thyristor-Schalter erforderlich ist. Der Gleichspannungssteuerkreis 52 dient zur Speisung des Steuer-Logikkreises 38 mit einem Eingangssignal beim Auftreten externer Ereignisse wie der manuellen Schließung eines Schalters durch einen Druckknopf ο. dgl., um den Leistungsregler zunächst in Betrieb zu setzen. Diese drei Schaltkreisteile oder Schaltkreisabschnitte 48, 50 und 52 sind Beispiele für den im vorliegenden Rahmen gelegentlich verwendeten Begriff "mindestens ein Steuer- und Schutzkreis".
Der Überstromschutz-Schaltkreis 48 hat einen Wechselleistungseingang 54, der an die Wechselspannungsleitung 10 angeschlossen ist, sowie einen an die Sammelleitung 36 angeschlossenen Gleichleistungseingang 55. Er ist ferner mit einem Ausgang 56 versehen, der mit dem Signaleingang 41 des Steuer-Logikkreises 38 verbunden ist.
Der Nulldurchgangskreis 50 hat einen Wechselleistungseingang 60, der an die Wechselspannungsleitung 10 angeschlossen ist, sowie einen an die Sammelleitung 36 angeschlossenen Gleichleistungseingang 61. Ferner steht er über einen Ausgang 62 mit dem Signaleingang 42 des Steuer-Logikkreises 38 in Verbindung.
Der Gleichspannungssteuerkreis 52 erfordert keine Wechselspannungsversorgung oder einen Anschluß an die Gleichspannungs-Sammelleitung 36. Er hat einen Eingang 65 für die Beaufschlagung mit einem Gleichspannungs-Steuersignal von einem anderen Teil des elektrischen Systems, mit dem zusammen der Leistungsregler eingesetzt wird. Er hat ferner einen Ausgang 66, der an den Signaleingang des Steuer-Logikkreises 38 angeschlossen ist.
Der Steuer-Logikkreis 38 ist normalerweise außer mit dem gezeigten Ausgang, der zu dem Ansteuerkreis 26 geführt ist, mit weiteren Ausgängen versehen, um bestimmte Zustände des Leistungsreglers anzuzeigen. Beispielsweise sind normalerweise ein Äuslöse-Anzeige-
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ausgang und ein Zustands-Anzeigeausgang für die Verbindung mit Anzeigeeinrichtungen wie Lampen vorgesehen, die eine Auslösung des Schalters 20 sowie den Ein- oder Ausschaltzustand des Schalters darstellen. Diese Schaltkreisteile sind nicht dargestellt, da sie in bisheriger Ausführung vorgesehen werden können und keine Auswirkung auf den Leistungsbedarf haben.
Fig. 3 zeigt eine weiter ins einzelne gehende Ausgestaltungsmöglichkeit des Ausführungsbeispiels der Erfindung nach Fig. 2, wobei die Schaltkreisteile blockförmig zusammengefaßt und mit Fig. 2 entsprechenden Bezugszeichen versehen sind. Der Halbleiter-Schalter 20 weist zwei invers parallelgeschaltete Thyristoren auf. Der Ansteuerkreis 26 ist ein freilaufender, in seiner Schwingungsdauer durch den Transformatorkern bestimmter Oszillator. Er enthält ferner eine mit der Sammelleitung 36 in Verbindung stehende Zenerdiodenschaltung für die Festlegung seines Gleichspannungsniveaus. Die Leistungsversorgung 32 weist einen Kondensator-Spannungsteiler mit den Kondensatoren C3 und C4 auf, die die Sammelleitung 36 über ihren Ausgang 34 mit einem Gleichspannungspotential von 30 V beaufschlagt. Die Sammelleitung 63 ist die gemeinsame Gleichspannungs-Rückleitung.
Der Steuer-Logikkreis 38 enthält Logikstufen G2, G3 und G4, die auf die verschiedenen Eingangssignale von den Schaltkreisen 48, 50 und 52 ansprechen, um zu bestimmen, daß zustandsändernde Signale dem Ansteuerkreis 26 zu den richtigen Zeitpunkten zugeführt werden. Zusätzlich sorgt eine Spannungsversorgung mit einer Zenerdiode D5 für die Festlegung des Glexchspannungsniveaus für den Steuer-Logikkreis 38 von der Gleichspannungs-Sammelleitung 36. Der überstromschutz-Schaltkreis 48 erhält seine Leistung von dem Steuer-Logikkreis 38, während der Nulldurchgangskreis 50 von der Sammelleitung 63 gespeist wird. Der Gleichspannungssteuerkreis weist im' wesentlichen einen Differentialverstärker auf, dessen einer Eingang proportional zu dem Steuersignal und dessen anderer Eingang ein von dem Steuersignal abgeleitetes Referenzpotential ist. Eine optisch gekoppelte Diodeneinheit 0C2 erhält nur dann
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ein Ausgangssignal, wenn das Steuersignal einen Schwellwert übersteigt.
Die Schaltungsanordnung nach Fig. 3 stellt eine derzeit bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar, die mit Erfolg hergestellt und eingesetzt werden konnte. Die vorstehende Beschreibung vermittelt ein Verständnis der herausragenden Merkmale der Erfindung und deren Funktion, ohne daß dadurch die Erfindung auf die genaue wiedergegebene Ausführung beschränkt sein soll, da zahlreiche Abwandlungen bezüglich der Einzelheiten vorgenommen werden können.
Da nur eine einzige Gleichspannungs-Sammelleitung 36 notwendig ist, erfolgt die Spannungsversorgung vorzugsweise in transformatorfreier Ausführung, wenngleich statt dessen auch ein kleinerer Transformator als bisher benötigt vorgesehen werden könnte. Die gezeigte und bevorzugte transformatorfreie Ausführung läßt sich als Kondensator-Spannungsteiler-Spannungsversorgung bezeichnen und gegenüber einer Ausführung mit Transformator mit besonderer Einfachheit und Gedrängtheit erstellen. Bei dieser Art Schaltungsanordnung unterteilen die beiden Kondensatoren C3 und C4 die Wechselspannung in ähnlicher Weise wie ein Spartransformator in gewünschte Teilspannungen. Der Gleichrichter mit Dioden D4 sorgt dann für eine Vollweggleichrichtung des gewünschten Spannungsanteils, der durch einen Kondensator C5'gefiltert wird, so daß man eine Nennspannung von 30 V erhält.
Patentansprüche;
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Claims (5)

- 10 Patentansprüche :
1. Leistungsregler zur Regelung der Leistungsabgabe einer Wechselspannungsquelle an eine Last, mit einem Schalter, der einen Leistungs- und einen Lastanschluß sowie mindestens einen Aussteueranschluß aufweist, über den durch selektive Beaufschlagung mit vorgegebenen Ansteuersignalen die Leitfähigkeit des Schalters änderbar ist, gekennzeichnet durch einen Ansteuerkreis (26) zur Beaufschlagung des Schalters
(20) mit Ansteuersignalen, der über mindestens einen Ausgang (27) mit mindestens einem Ansteuereingang (23) des Schalters elektrisch verbunden ist und einen Steuereingang
(28) sowie einen Leistungseingang (29) hat; eine über Eingänge (33) mit der Wechselspannungsquelle (8) und über einen Ausgang (34) mit dem Leistungseingang (29) des Ansteuerkreises (26) verbundene Leistungsquelle (32) mit Elementen für die Umwandlung von Wechselleistung in Gleichleistung in einer einzigen Gleichspannungs-Sammelleitung (36); einen über einen Ausgang (39) mit dem Steuereingang (28) des Ansteuerkreises (26) und über einen Leistungseingang (40) mit dem Ausgang der Leistungsquelle (32) verbundenen Steuer-Logikkreis (38); sowie durch mindestens einen über mindestens einen Ausgang (56; 62) an den Steuer-Logikkreis (38) und über mindestens einen Signal-Eingang (54; 60) an die Wechselspannungsquelle (8) angeschlossenen Steuer- und Schutzkreis (48, 50), der ohne Speisung von einer von der Leistungsquelle (32) getrennten Gleichleistungsquelle wirksam ist.
2. Leistungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Steuer- und Schutzkreis (48, 50) einen überstromschutz-Schaltkreis (48) zur Abgabe von Signalen für die endgültige Steuerung des Leitfähigkeitszustands des Schalters, so daß die Last (9) keinem schädigenden Überstrom ausgesetzt ist, aufweist.
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3. Leistungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Steuer- und Schutzkreis (48, 50) einen Nulldurchgangskreis (50) zur Abgabe von Signalen für die endgültige Steuerung des Leitfähigkeitszustands des Schalters in einer gewünschten Zuordnung zu Nulldurchgängen des Spannungsverlaufs.der Wechselspannungsquelle aufweist.
4. Leistungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsversorgung (32) transformatorfrei ausgebildet ist.
5. Leistungsregler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsversorgung (32) eine zu ihren Eingängen
(33) parallelgeschaltete Reihenschaltung aus zwei Kondensatoren (C3, C4) sowie einen die Spannung an einem der Kondensatoren (C4) gleichrichtenden Vollweggleichrichter aufweist.
KN/jn 3
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