DE2439709C2 - Blindstromarmer Wechselstromsteller - Google Patents

Description

Ein im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebener Wechselstromsteller ist bekannt beispielsweise aus »General Electric SCR-Manual«, 3. Aufl. (1964), Seite 125, Bild 8.1 oder aus Meyer, Gierse, »Thyristorstellglieder ...«, BBC-Nachrichten 1968, Seite 159 bis 164. Er kann Anwendung finden bei Heizgeräten, aber auch bei der Helligkeitssteuerung, bei Elektrowerkzeugen, bei Haushaltsmaschinen u. a.

Über Wechselstromsteller versorgte elektrische Verbraucher, z. B. Heizungen, werden entweder mit einer Schwingungspaketsteuerung oder einer Anschnittsteuerung betrieben. Besitzen diese Verbraucher eine kleine Zeitkonstante und stören die bei der Schwingungspaketsteuerung auftretenden Abweichungen von dem gewünschten Wert so ist der Einsatz einer Anschnittsteuerung unvermeidlich. Diese erzeugt jedoch bekanntlich eine im Vergleich zur Wirkleistung hohe Netzbelastung durch Grundschwingungs- und Verzerrungsblindleistung. Infolgedessen dürfen solche Stellen am öffentlichen Netz nur noch mit geringer Leistung betrieben werden (VDEW: Technische Anschlußbedingungen (TAB), Ziffer 9, 10). Durch Folgesteuerung mehrerer Steller (N. Bardahl »Thyristor-Wechselstromsteller für moderne Silizium-Abscheidungsanlagen bei Wacker-Chemitronik«, Siemens-Zeitschrift 47 (1973), Heft 3, Seite 160 bis 163) und durch Zwangslöschung (Heumann/Stumpe, »Thyristoren« (1968), Seite 74 ff.; W. Rona »Untersuchungen am zwangskommutierten Wechselstromsteller«, ETZ-A, Bd. 93 (1972), Heft 10, Seite 560 bis 564; M. Clewing, »Ein- und mehrphasige Wechselstromsteller mit zusätzlichen Kommutierungseinrichtungen«, Dissertation an der TU-Berlin 1973; F. Zach »Optimierung des Oberschwingungsgehaltes und Leistungsfaktors von Stromrichterschaltungen durch Pulszeitsteuerung«, ETZ-A, Bd. 94 (1973), Heft 9, Seite 535 bis 538) sucht man, das Blindleistungsverhalten zu verbessern.

Aus der DE-OS 15 38 167 ist eine Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Stromes im Dreiphasennetz bekannt, bei der im Sternpunkt eines Verbrauchers bzw.

ίο Umformers Halbleiterpaare aus paarweise antiparallel geschalteten, steuerbaren Halbleitern derart angeordnet sind, daß jeweils vier Halbleiter an einer Phase liegen. Bei dieser Schaltung fließt der Strom über jeweils nur eine Halbleiterstrecke, wodurch die Halbleiterverluste gering bleiben und die Steuerungsmöglichkeit gut ist

Aus den DE-OS 15 38 066 und 15 38 071 sind Schaltungen bekannt, die es ermöglichen, aus der Netzwechselspannang zeitlich beliebig verzögerte Zündimpulse für die antiparallel geschalteten Thyristoren einer Phasenanschnittsteuerung zu erzeugen.

Allen diesen Schaltungen ist gemeinsam, daß sie abhängig vom Aussteuerungsgrad eine beachtliche Netzbelastung durch Grundschwingungs-, Verzerrungs- und Verschiebungsblindleistung erzeugen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, einen einfach aufzubauenden Wechselstromsteller zu schaffen, mit dem der Strom bzw. die Wechselstromleistung kontinuierlich und netzfreundlich, d. h. blindstromarm, in weiten Bereichen verstellbar ist, wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Die steuerbare Gleichspannungsquelle kann aus der Parallelschaltung eines Kondensators mit einer Reihenschaltung aus einem Widerstand und einem elektronisehen Schalter gebildet sein. Nach einer vereinfachten Variante kann der vorerwähnte getaktete Widerstand auch durch einen veränderlichen Widerstand ersetzt sein.

Für relativ niedrige Schaltfrequenzen wird der elektronische Schalter zweckmäßig aus zwanglöschbaren Thyristoren aufgebaut, für höhere Schaltfrequenzen aus Transistoren.

Mit dem erfindungsgemäßen Wechselstromsteller läßt sich vorteilhaft der Strom durch Verändern der durch die steuerbare Gleichspannungsquelle geschaffenen Gegenspannung von seinem Maximalwert bis Null variieren, ohne daß nennenswerte Verschiebungsblindleistung auftritt Durch Wahl der aus dem Widerstandswert des Lastwiderstandes und der Kapazität des Parallelkondensators gebildeten Zeitkonstanten und/oder des Tastverhältnisses des elektronischen Schalters lassen sich die Verschiebungsblindleistung und die Verzerrungsblindleistung optimal gering halten.

Die Leistung läßt sich vorteilhaft bei weitgehend sinusförmigem Netzstrom stetig verstellen, wenn ein Zweipunktregler mit Hysterese zur Steuerung des elektronischen Schalters eingesetzt wird. Bei einem Regler mit einer konstanten Hysterese stellen sich Taktfrequenz und Tastverhältnis des elektronischen Schalters frei ein. Bei sinusförmig gesteuerter Hysterese ist eine über die Halbperiode nahezu konstante Taktfrequenz zu erreichen.

Nähere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispie-Ie erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen Wechselstromsteller zur blindleistungsarmen Wechselstromsteuerung mittels steuerbarer Gleichspannungsquelle,

Fig.2 einen Wechselstromsteller zur blindleistungsarmen Wechselstromsteuerung mittels Kondensator und getaktetem Widerstand,

F i g. 3 einen Wechselstromsteller zur blindleistungsarmen Wechselstromsteuerung mittels Kondensator und stetig veränderlichem Widerstand,

F i g. 4 Zeitfunktionen vom Betrag der Netzspannung und von sinusförmigen Netzströmen der Schaltung nach

Fig.5 den prinzipiellen Verlauf von Kondensatorspannung uab und Wechselspannung u_L der Schaltung nach F i g. 3,

Fig.6 Leistungskenngrößen des blindstromarmen Wechselstromstellers nach Fig.3 für verschiedene Zeitkonstanten im Vergleich zu einem herkömmlichen symmetrischen Wechselstromsteller als Funktion der insgesamt umgesetzten Wirkleistung:

•<i) Grundschwingungsblindleistung Q\(P)

b) Verzerrungsblindleistung D_(P)

c) Gesamtblindleistung Qpy

d) Scheinleistung S(pj

e) Leistungsfaktor λ(ρ)

f) Verschiebungsfaktor der Grundschwingung cos q>\(p),

F i g. 7 Netzspannung und Netzströme des Wechselstromstellers nach F i g. 2 mit zeitinvarianter Steuerung (ftskt= 1 kHz) für verschiedene Stellgrade P/Pmax,

a) für eine kleinere Zeitkonstante,

b) für eine größere Zeitkonstante,

F i g. 8 einen dreiphasigen blindstromarmen Steller,

F i g. 9 Zeitverläufe des Leiterstromes eines dreiphasigen blindstromarmen Stellers nach F i g. 8 und

Fig. 10 Zeitverläufe des Netzstromes eines blindstromarmen Wechselstromstellers bei Verwendung eines Zweipunktstromreglers mit Sinussollwerten und sinusförmig gesteuerter Hysterese.

Gemäß der Schaltung nach F i g. 1 liegt an einer Wechselspannungsquelle 1 eine Brückenschaltung aus Dioden 2 bis 5, auf deren Gleichstromseite sich ein Lastwiderstand R₀ und eine steuerbare Gleichspannungsquelle 7 (Uab) befinden. Statt auf der Gleichstromseite kann der Lastwiderstand A₀' auch auf der Wechselstromseite angeordnet sein.

F i g. 2 zeigt die Parallelschaltung eines Kondensators C mit einem Widerstand R] und einem elektronischen Schalter 10.

Gemäß Fig.3 kann dem Kondensator C ein veränderlicher Widerstand R'parallelgeschaltet sein. In Fig.8 ist das entsprechende Schaltbild für einen dreiphasigen Steller dargestellt

Nachfolgend wird die Wirkungsweise der Schaltungen beschrieben:

Der Netzstrom k besteht bei einer Schaltung gemäß F i g. 1 aus Sinuskuppen, deren Höhe durch den Lastwiderstand Ab und das Verhältnis ul/Uab bestimmt ist. Durch Verändern der Gegenspannung Uab zwischen den Werten Null und m läßt sich der Strom von seinem Maximalwert bis Null variieren, ohne daß Verschiebungsblindleistung auftritt Mit zunehmender Aussteuerung ist jedoch eine im Verhältnis zur Wirkleistung wachsende Verzerrungsblindleistung zu verzeichnen.

In der technischen Anwendung ist die Schaltung gemäß F i g. 2 vorzuziehen. Der Mittelwert der Kondensatorspannung uab läßt sich z. B. bei konstanter Schaltfrequenz durch das Tastverhältnis zwischen Ein- und Auszeit des Schalters 10 variieren. Große Kapazitätswerte oder eine hohe Schaltfrequenz halten die Welligkeit der Spannung u_ab klein. Der Lastwiderstand Ro, Ro' läßt sich dabei, wie bereits erwähnt, sowohl auf der Gleich- als auch auf der Wechselspannungsseite anordnen.

Ersetzt man den getakteten Widerstand durch einen stetig verstellbaren Widerstand, so ist der Zeitverlauf

ίο der Spannung uab durch einen Lade- und einen

Entladeabschnitt gekennzeichnet (F i g. 5). Die Summe

aus Lade- und Entladezeit entspricht im eingeschwunga nen Zustand einer halben Netzperiode.

Die F i g. 6a bis 6f vermitteln Leistungsaussagen über

die Schaltung gemäß F i g. 3. Zu diesem Zweck wurde mit einem numerischen Rechenprogramm eine Fourieranalyse des Netzstromes durchgeführt, sein Effektivwert gebildet und die entsprechenden Leistungswerte ermittelt Als Bezugsgröße dient:

Pm_1x=ULVRo

Es wurden

die strichpunktierte Linie für RoC= 0,5 msec, die gestrichelte Linie für R₀C= 5 msec, die punktierte Linie für R₀C= 50 msec,

die durchgezogene Linie für einen konventionellen Wechselstromsteller und

die doppelpunkt-strichlinierte Linie für einen dreiphasigen Steller nach F i g. 8 ermittelt

Man kann einen auf Verzerrungs- und Verschiebungsblindleistung unterschiedlichen Einfluß der Zeitkonstanten R₀C feststellen. Große Zeitkonstanten lassen die Verschiebungsblindleistung nahezu verschwinden, be wirken jedoch, daß die Verzerrungsblindleistung ihrem Maximalwert zustrebt, der im Falle konstanter Gleichspannung (C= unendlich) erreicht würde. Der Grund dafür ist in der mit steigender Zeitkonstanten sich verringernden Stromflußdauer zu sehen.

Da die Verschiebungsblindleistung das Wechselstromstellers kapazitiver Art ist und in den meist induktiv belasteten Netzen zu einer Verbesserung des Verschiebungsfaktors beiträgt, ist es sinnvoll, die Schaltung im Hinblick auf die Blindleistung und aus

wirtschaftlichen Überlegungen möglichst mit kleinen Zeitkonstanten zu versehen, deren untere Grenze bei geschaltetem Festwiderstand R\ durch die zulässige, taktfrequente Stromwelligkeit festgelegt wird. Mit steigender Schaltfrequenz kann entweder die Stromwel ligkeit oder die notwendige Zeitkonstante R₀C verrin gert werden.

Etwa bei Frequenzen unter 1 kHz sind zwangsgelöschte Thyristoren vorteilhaft, darüber Transistoren. Wegen des geringen Verhältnisses von zulässigem Spitzenstrom zum Gleichstrommittelwert ist beim Einsatz von Transistoren der Widerstand R] in der Größenordnung des Lastwiderstandes A₀ zu wählen, um die maximale Schaltleistung des Transistors gut auszunutzen.

Die Oszillogramme gemäß F i g. 7a und 7b zeigen den Zeitverlauf von Netzspannung und Netzströmen bei verschiedenen Stellgraden und zwei Zeitkonstanten KoCa): 1,5 msec; b): 5 msec und einer Taktfrequenz von jeweils 1 kHz. Für die verschiedenen Stellgrade P/P_max ist Jie Bezugsgröße

Pm₁U,= UlV(R₀ + A₁).

Die einzelnen Kurven wurden für folgende Stellgrade

ermittelt:

F ig. 7a

2. P/P_m,_x

3. P/P™,

4. P/P™,

1,0 Fig.7b 1. Ρ/Ρ™,= 1,0

0,7 2. Ρ/Ρ™,=0,81

0,25 3. Ρ/Ρ™,=0,53

0,05 4.Ρ/Ρ™,=0,27

Bei größeren Leistungen ist es zweckmäßig, den Steller mit Drehstrom zu betreiben. Bei einem Steller gemäß F i g. 8 kann der Maximalwert der Blindleistung gegenüber einer einphasigen Schaltung um etwa den Faktor 3 verringert werden. Qualitativ wird dies anhand von F i g. 6e deutlich, in der zusätzlich der Leistungsfaktor für diese dreiphasige Schaltung eingetragen ist (doppelpunkt-strichlinierte Kurve), dessen Abhängigkeit von der Zeitkonstanten R₀C vernachlässigt werden kann. In F ig. 9 sind für eine Zeitkonstante R₀C= 0,25 msec und verschiedene Stellgrade PZP_mx mit einer Bezugsgröße

20

R₀

ihren höchsten Wert annimmt. Dieser beträgt:

Jma

hängigkeit vom Widerstandsverhältnis rein ausgeprägtes Minimum bei r = 1/3 auf.

Für vorgegebene Maximalfrequenz (f_max), Hysterese (A f_max/ f_mwt) und Leistung (U[I(R₀ + R\)) ist damit auch der mindestens notwendige Kapazitätswert C„„„ bestimmt.

ermittelte Leiterstromläufe dargestellt

Wenn man die Spannung am Kondensator C des Wechselstromstellers nach Fig.2 nicht nur in ihrem Mittelwert stetig verändert, sondern während jeder Halbperiode einen sinusförmigen Verlauf bewirkt, läßt sich die Leistung bei weitgehend sinusförmigem Netzstrom stetig verstellen. Ein hysteresebehafteter Zweipunktregler kann diese Aufgabe übernehmen, wobei der Netzstrom bzw. der Strom durch R₀ auch unmittelbar geregelt werden kann. Wird der Regler mit einer konstanten Hysterese versehen, stellen sich Taktfrequenz und Tastverhältnis des Schalters 10 frei ein.

Bei sinusförmig gesteuerter Hysterese ist eine über die Halbperiode nahezu konstante Taktfrequenz zu erreichen, die bei einem Stellverhältnis von

40

wobei A Lax die bei ®l' ⁼ 90° auftretende, größte Stromhysterese ist Die Maximalfrequenz weist in Ab- C Ir = 1/31 = —— · ^C"""^{(r Xli)} 27

27 A /^ ·/„,„■ (Ab+ A₁)'

Beim Einsatz von Transistorschaltern muß jedoch beachtet werden, daß bei diesem Widerstandsverhältnis r der Strom im Transistor den 4fachen Wert des größten Netzstromscheitelwertes annehmen können. Zur besseren Ausnutzung des Transistor-Schaltvermögens kann deshalb ein Abweichen vom rechnerischen Optimum zweckmäßig sein.

Die vorstehenden Ergebnisse gelten unter der Vereinfachung, daß sich die Änderung der Kondensatorströme innerhalb einer Taktperiode vernachlässigen läßt

Den für ein Widerstandsverhältnis von /-=1/3, bei einer Zeitkonstanten von Ro ■ C= 0,444 msec, einer maximalen Taktfrequenz von /™,= 10 kHz und einer Hysterese von

A L

= 0,1; l_Lmax = U

+ R₁)

mit einem Analogrechner ermittelten Netzstrom während einer Halbperiode zeigt Fig. 10 für verschiedene Stellgrade. Im Bereich kleiner Aussteuerungen tritt zu Beginn eine Stromspitze auf, die dem Ladestrom des Kondensators C entspricht In diesem Bereich ist der Schalter 10 geöffnet, und der Strom kann deshalb nicht verringert werden.

Zur Abschätzung der verbleibenden Verzerrungsblindleistung kann zumindest bei mittleren Aussteuerungen der in F i g. 10 gezeigte Netzstrom durch einen Grundschwingungsanteil beschrieben werden, dem ein mit Netzfrequenz modulierter, sägezahnförmiger Oberschwingungsstrom überlagert ist

Der Gesamteffektivwert der dabei erzeugten Oberschwingungsströme berechnet sich zu:

45 ^ ^v 2V6- ·

Bei einer Hysterese A LaxlLax ⁼ 0,1 verringert sich so auf diese Weise der Maximalwert der Blindleistung auf ~ 1/5 des Wertes, der bei zeitkonstanter Steuerung (vgl. Fig. 6c) erreicht wird. Allerdings ist die Blindleistung in diesem Falle über den gesamten Steuerbereich annähernd konstant. Ein Filter, das in Verbindung mit der in der Stromrichtertechnik üblichen Netzdrossel aufgebaut werden kann, gestattet, die Netzrückwirkungen weiter zu vermindern.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Wechselstromsteller, der einen Lastwiderstand über eine Dioden-Brückenschaltung mit einem geschalteten Laststrom speist, dadurch gekennzeichnet, daß im Gleichstromkreis der Dioden-Brückenschaltung (D) eine" steuerbare Gleichspannungsquelle (7) mit einer dem Laststrom Qi) entgegenwirkenden Gegenspannung (LUb) liegt

2. Wechselstromsteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbare Gleichspannungsquelle (7) aus der Parallelschaltung eines Kondensators (C) mit einem veränderbaren Widerstand (K^besteht

3. Wechselstromsteller nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der veränderbare Widerstand (R') aus d«r Serienschaltung eines festen Widerstandes (R\) mit einem elektronischen Schalter (10) besteht

4. Wechselstromsteller nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter (10) aus zwangslöschbaren Thyristoren aufgebaut ist

5. Wechselstromsteller nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß der elektronische Schalter (10) aus Transisoren aufgebaut ist

6. Wechselstromsteller nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter (10) von einem Zweipunktregler mit Hysterese gesteuert wird.

7. Wechselstromsteller nach Anspruch 6_; dadurch gekennzeichnet, daß der Zweipunktregler eine sinusförmig steuerbare Hysterese besitzt.