DE2600529A1

DE2600529A1 - Verfahren zur leistungssteuerung in einer mehrphasigen thyristorbruecke und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2600529A1
Application number: DE19762600529
Authority: DE
Inventors: Guy Dumas
Original assignee: Silec Semi Conducteurs SA
Current assignee: Silec Semi Conducteurs SA
Priority date: 1975-02-18
Filing date: 1976-01-08
Publication date: 1976-08-26
Also published as: FR2301959A1; BE837329A; US4053945A; FR2301959B1

Description

Dfpl. Ing. Peter Ott· 7 STUTTGART 80 (Valhingen)

Patentanwalt Waldburgstraße 48

Telefon (0711) 734627

1187/ot/EO
3.1.1976

Silec-Semi-Conducteurs 69, rue de Monceau
75oo8 Paris / FRANKREICH

Verfahren zur Leistungssteuerung in einer mehrphasigen Thyristorbrücke und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Leistungssteuerung in einer mehrphasigen Thyristorbrücke sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist bekannt, Steuerschaltungen zu verwenden, die die Zeitdauer des Leitendseins eines Thyristors während einer Halbwelle der speisenden Wechselspannung kontrollieren, um" so die durch eine dem Thyristor zugeordnete Belastung fließende Leistung steuern zu können. Eine solche Schaltung läßt sich insbesondere dem Buch von H. Lilen "Thyristor et triac" entnehmen, veröffentlicht von der Firma Editions Radio, außerdem sind solche Steuerschaltungen beschrieben in dem Informationsblatt Nr. 1 der Firma Silec-Semi-Conducteurs vom

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1. Juni 197o. Eine solche Steuerschaltung ist insbesondere auch von der Anmelderin unter der Bezeichnung "Schaltung vom "Typ L1" entwickelt worden und bietet den Vorteil einer linearen Regelung und Steuerung der einer Belastung zugeführten Leistung.

Bekannt ist es auch, solche Steuerschaltungen in einem mehrphasigen Netzwerk anzuwenden, insbesondere in einem dreiphasigen Netzwerk; ein solches Anwendungsbeispiel ist im Kapitel 13 des oben erwähnten Buches von H. Lilen beschrieben, insbesondere in Fig. 13-24 dieses Buches. Das dort gezeigte Schaltungsbeispiel entspricht der Darstellung der Fig. 1, in welcher drei solche Steuerschaltungen "Li" verwendet werden, um die drei Thyristoren zu steuern, die jeweils den Phasen U, V und W der speisenden Wechselspannung zugeordnet sind. Diese drei Steuerschaltungen L1 (siehe die Darstellung der Fig. 1) sind jeweils so geschaltet, daß sie von den drei Phasen VU, UW und WV gespeist und zeitlich beaufschlagt sind; diese Verbindungen sind durch drei in der Darstellung der Fig. 1 nicht gezeigte Koppeltransformatoren vorgenommen. Ein solcher Thyristor-Steuerschaltkreis bekannter Art weist mehrere Nachteile auf. Ein erster Nachteil besteht darin, daß es erforderlich ist, drei Steuerschaltungen "L1^H oder analoge Steuerschaltungen und drei Koppeltransformatoren vorzusehen, um auf diese Weise die von dem dreiphasigen Netzwerk geführte Leistung zu kontrollieren. Dies führt zu beträchtlich erhöhten Kosten, außerdem steigen die schaltungsmäßigen Aufwendungen und die Schaltung wird insgesamt komplizierter. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß es erforderlich ist, jede Steuerschaltung "L1" mit verschiedenen geeigneten Phasen der mehrphasigen Versorgungsspannung zu verbinden, was zu Irrtümern und Fehlern beim Schaltungsaufbau führen kann. Schließlich ist nachtei-

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lig, daß aufgrund des Umstandes, daß die Steuerschaltungen bei ihrem Einsatz in ein Netzwerk eingestellt und justiert werden müssen, drei unabhängige Einstellungen und Justierungen notwendig sind, um die Gesamtschaltung dann, wenn mehrphasig gearbeitet wird, in präziser Weise in ein schaltungsmäßiges Gleichgewicht zu bringen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer mehrphasigen Thyristorbrücke unter Vermeidung der genannten Nachteile für eine präzise Steuerung der geführten Leistung zu sorgen, ohne daß der schaltungsmäßige Aufwand zu groß wird und ohne daß es erforderlich ist, die verwendeten Schaltungselemente auch einzeln zu justieren.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von dem eingangs genannten Verfahren zur Leistungssteuerung und besteht erfindungsgemäß darin, daß nach Art einer Hauptimpuls-Nebenimpuls-Regelung (master-slave control) ein Hauptimpuls gebildet wird, der in einer vorgegebenen und einstellbaren Phasenbeziehung zu einer Phase der mehrphasigen Versorgungsspannung steht, daß der erzeugte Hauptimpuls durch Paralleloder Serienparallel-Schaltungen zur Erzeugung einer Mehrzahl von Nebenimpulsfolgen weitergeleitet wird, die gleich sind der Anzahl der Phasen der Versorgungsspannung und daß die jeweiligen erzeugten Nebenimpulsfolgen den Steuergattern der in der Brückenschaltung angeordneten Thyristoren zugeführt werden.

Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens geht aus von einer Steuerschaltung zur Leistungssteuerung und besteht erfindungsgemäß darin, daß zur Erzeugung eines Hauptimpulses (master-pulse) mit vorgegebener und einstellbarer Phasenbeziehung zu einer Phase der mehrphasigen Versorgungsspannung

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eine Steuerschaltung vorgesehen ist, die mit in Parallelschaltung oder in Serienparallelschaltung angeordneten Verzögerungsschaltungen verbunden ist-zur Erzeugung einer solchen Anzahl von Nebenimpulsen, wie zu steuernde Phasen in der mehrphasigen Versorgungsspannung vorhanden sind und daß jeweils Koppelschaltungen vorgesehen sind, die die erzeugten Nebenimpulse den jeweiligen Steuergattern der Thyristoren der Brücke zuführen.

Kurz zusammengefaßt besteht die Erfindung somit darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Leistungssteuerung nach Art einer Hauptimpuls-Nebenimpuls-Regelung (master-slave control) anzugeben, um so die von einer Thyristorbrücke bei Mehrphasenspeisung insgesamt geführte Leistung zu steuern. Dabei wird lediglich eine einzige Steuerschaltung verwendet, die die Hauptimpulse, bezogen auf eine Phase der speisenden mehrphasigen Wechselspannung, erzeugt. Diese Hauptimpulse werden einer Unterschaltungsanordnung zugeführt, die aus dieser Hauptimpulsfolge mehrere, der Anzahl der Phasen entsprechende Nebenimpulsfolgen erzeugt, die in geeigneter Weise phasenverschoben und in ihrer Form und Amplitude entsprechend ausgebildet sind und die den Steuergattern der jeweils verwendeten Thyristoren, üblicherweise der verwendeten drei Thyristoren, zugeführt werden. Von besonderem Vorteil bei vorliegender Erfindung ist der Umstand, daß die drei Nebenimpulsfolgen in präziser Steuerung aus der Hauptimpulsfolge erzeugt sind und mit dieser in einer festen Verbindung stehen, so daß sich auch größere mehrphasige Netze leistungsmäßig in einfacher Weise steuern lassen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und in diesen niedergelegt.

Im folgenden werden das erfindungsgemäße Verfahren sowie Auf-

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bau und Wirkungsweise von Vorrichtungen zur Durchführung der mehrphasigen Leistungssteuerung anhand der Figuren im einzelnen näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine bekannte Steuerschaltung für eine dreiphasige Thyristorbrücke,

Fig. 2 in Form eines Blockdiagramms eine "Master-Slave-Regelschaltung" als Ausführungsbeispiel vorliegender. Erfindung,

Fig. 3 in Form eines Blockdiagramms das Ausführungsbeispiel einer Schaltung, die aus der zugeführten Hauptimpulsfolge die gewünschten, in ihrer Phase zueinander verschobenen Unterimpulsfolgen erzeugt und den Steuergattern der verwendeten drei Thyristoren zuführt, die sich in dem Ladungsschaltkreis für die Ansteuerung befinden,

Fig. 4 zeigt im einzelnen den Aufbau der Schaltung der Fig.3 und

Fig. 5 zeigt den möglichen Schaltungsaufbau eines Schaltungselements der Fig. 4.

Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich im wesentlichen auf Aufbau und Wirkungsweise eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit einer dreiphasigen Versorgungsspannung, bei der es sich um die am häufigsten anzutreffende Spannungsart mehrphasiger Netze handelt; es versteht sich jedoch für den Fachmann, daß die vorliegende Erfindung zur Anwendung bei jeglicher Art mehrphasiger Netze Verwendung finden kann.

Die Darstellung der Fig. 1 ist dazu bestimmt, sich Aufbau und Wirkungsweise eines bekannten Steuersystems für einen drei Thyristoren verwendenden, dreiphasigen Leistungsschaltkreis ins Gedächtnis zu rufen. Jeder der Thyristoren ist von

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einer Steuerschaltung L1 angesteuert. Der Nachteil einer solchen Steuerschaltung ist weiter vorn schon erläutert worden, daher wird auch auf die Darstellung der Fig. 1 im folgenden nicht mehr genauer eingegangen.

Der Fig. 2 läßt sich nunmehr in Form eines schematischen Blockschaltbildes eine Steuerschaltung zur Ansteuerung des

dreiphasigen ThyristorSchaltkreises bzw. einer Thyristorentsprechend

brücke entnehmen; eine solche Steuerschaltung wird'dem angelsächsischen Sprachgebrauch als "Master-Slave-Regelschaltung" bezeichnet, wofür im folgenden der Begriff einer "Haupt-Nebenregelung" verwendet wird. Wie der dargestellten Schaltung der Fig. 2 entnommen werden kann, sind die drei Phasen U, V und W eines dreiphasigen Versorgungsnetzwerks über einen Transformator 2o an eine Last 21 gelegt, wobei die Steuerung der Leistungszuführung mit Hilfe einer drei Thyristoren 22, 23 und 24 aufweisenden Brückenschaltung erfolgt, die darüber hinaus, wie in Fig. 2 gezeigt, noch über die drei Dioden 25, 26 und 27 verfügt. Diese Brückenschaltung zur Speisung der Last 21 ist jedoch kein Teil vorliegender Erfindung und kann, wie es sich für den Fachmann versteht, in vielfältiger Weise modifiziert werden. Insbesondere läßt sich auch eine Brückenschaltung verwenden, die Thyristorpaare benutzt. Entsprechend einem Merkmal vorliegender Erfindung wird die Spannung zwischen zwei Phasen des Eingangsnetzes über einen Koppeltransformator 28 einer mit L1 bezeichneten Steuer- oder Regelschaltung oder einer ähnlichen Schaltung zugeführt, und zwar deren Eingangsklemmen 31 und 32. Die Steuerschaltung 3o empfängt an ihren Eingangsklemmen 33 und 34 ein Regelsignal, welches die Phasenverschiebung zwischen den an den Ausgangsklemmen 35 und 36 der Steuerschaltung zur Verfügung stehenden Ausgangsimpulsen und der Eingangsspannung bestimmt, die, wie schon erwähnt, an den Eingangsklemmen 31 und 32 anliegt.

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Diese von der Steuerschaltung 3o erzeugten Hauptimpulse (master pulse) werden den Eingangsklemmen 41 und 42 einer impulserzeugenden weiteren Schaltung 4o zugeführt, die sog. Nebenimpulse (slave-pulses) erzeugt, die untereinander eine Phasenverschiebung von 120° haben und jeweils zwischen Steuergatter und den Anoden der Thyristoren 22, 23 und 24 angelegt sind und zwar über die Ausgangsanschlüsse 43,44;45,46
und 47,48.

Der Darstellung der Fig. 3 läßt sich ein schematisches Blockdiagramm der die Nebenimpulse erzeugenden Schaltung 4o entnehmen, die Zweidrahtverbindungen sind dabei durch jeweils
nur eine Linie dargestellt. Die Impulse von der Steuerschaltung 3o, die an der Eingangsklemme 41 anliegen, werden einmal direkt einer Impulsformerstufe 5o und außerdem über entsprechende Verzögerungsschaltungen 53 und 54 weiteren Impulsformerschaltungen 51 und 52 zugeführt. Die Verzögerungsschaltungen 53 und 54 erzeugen jeweils Phasenverschiebungen von
120 und 240 . Anschließend gelangen die so erzeugten Impulse über Koppelschaltungen 55,56 und 57 an die Ausgangsanschlüsse 43,45 und 47. Es versteht sich, daß die Schaltungsdarstellung der Fig. 3 insbesondere den verschiedensten Modifikationen und äquivalenten Lösungen zugänglich ist; so kann es sich insbesondere bei der Verzögerungsschaltung 54, die mit der Eingangsklemme 41 verbunden ist, um eine Verzögerungsschaltung handeln, die lediglich um 120° (nicht um
240°) verzögert, die dafür jedoch mit dem Ausgangsanschluß der Verzögerungsschaltung 53 verbunden ist.

Der Darstellung der Fig. 4 läßt sich nunmehr im größeren Detail ein Ausführungsbeispiel des in Fig. 3 gezeigten Blockschaltbildes entnehmen. Dabei versteht es sich, daß identische Schaltungselemente in sämtlichen Figuren mit den glei-

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chen Bezugszeichen versehen sind. Zusätzlich zu den schon erwähnten Eingangsanschlüssen 41 und 42 und den Ausgangsanschlüssen 43 bis 48 weist die Schaltung der Fig. 4 noch einen Anschluß 49 auf, welcher mit einer Gleichspannungsquelle von + 15 V verbunden ist, um die verschiedenen, in dieser Schaltung verwendeten Transistoren mit Vorspannung und Arbeitsspannung zu versorgen. Es versteht sich, daß die Anschlußklemme 49 bevorzugt ebenfalls mit einem Ausgangsanschluß der Steuerschaltung 3o bzw. L1 nach Fig. 2 verbunden ist, der eine entsprechende Gleichspannung liefert. Die Hauptimpulse der Steuerschaltung 3o werden dem Eingangsanschluß 41 und dem Masseanschluß 42 der Schaltung der Fig. 4 zugeführt. Über eine Pufferschaltung und einen als Emitterfolger geschalteten Transistor 61 gelangen die Hauptimpulse einmal zu der Impulsformerstufe 5o und andererseits zu den beiden Verzögerungsschaltkreisen 53 und 54, bei denen es sich beispielsweise um Schaltungen handeln kann, die unter der Bezeichnung H117 von der italienischen Firma SGS erworben werden können. Die Impulsformerstufe 5o führt bei Empfang eines Impulses einer lichtemittierenden Diode 62a einen Strom zu; die lichtemittierende Diode 62a ist mit einer oder mehreren Photodioden 63a verbunden. Diese Photodioden 63a können beliebige, lichtempfindliche Elemente sein und sind beim Ausführungsbeispiel bevorzugt Photothyristoren. Die Photodiode 63a liegt in Reihe mit einem Widerstand 64a über den Anschlüssen 43 und 44 und führt so - über Gatter und Anode dem in Fig. 2 gezeigten Thyristor 22 einen Steuerstrom zu. Analoge Schaltkreise, die mit dem Unterindex b gekennzeichnet sind, befinden sich am Ausgang der Impulsformerstufe 51; weitere analoge Schaltkreise, die mit dem Unterindex c gekennzeichnet sind, sind am Ausgang der Impulsformerstufe 52 angeordnet.

Die Fig. 5 zeigt nunmehr noch ein bevorzugtes Ausführungsbei-

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spiel einer dieser Impulsformerstufen 5o,51 oder 52. Wie der Darstellung der Fig. 5 entnommen werden kann, ist ein Eingangsanschluß 7o vorgesehen, dem von der Steuerschaltung 3o über die weiter vorn schon erläuterten Schaltungselemente der Hauptimpuls zugeführt wird. Der Hauptimpuls gelangt auf die Basis eines Transistors 72. Die Basis des Transistors ist über einen Widerstand 73 mit der Versorgungsspannung von + 15 V verbunden. Der Emitter des Transistors liegt unmittelbar an diesem, die Versorgungsspannung von + 15 V führenden Anschluß, während der Kollektor des Transistors über einen Widerstand 74 an Masse liegt. Der Kollektor des Transistors 72 ist weiterhin mit einem Kondensator 75 verbunden, an dessen anderem Anschluß einmal eine Diode 76 gegen Masse geschaltet ist und zum anderen die Reihenschaltung eines Widerstands 77 mit der weiter vorn schon erwähnten lichtemit-

_,, _ T^j j ,£·,-, .. angeschlossen tierenden Diode ebenfalls gegen Masse -v- ist. Es versteht sich für einen Fachmann auf diesem Gebiet, daß die in Fig. 5 gezeigte Schaltung lediglich ein spezielles Ausführungsbeispiel einer Adapter- oder Impulsformerstufe ist und daß eine solche Impulsformerstufe den verschiedensten Ausführungsformen zugänglich ist.

Handelt es sich bei der Brückenschaltung, die den mehrphasigen Strom der Last zuführt, nicht um eine Thyristoren und Dioden aufweisende kombinierte Brücke, sondern um eine Brücke, die Thyristorpaare aufweist, dann sind den lichtemittierenden Dioden 62 jeweils auch Paare von Photothyristoren 63 oder analoge Schaltungselemente zugeordnet, damit zur gleichen Zeit dem Photothyristorpaar (oder Photodiodenpaar) Steuerimpulse zugeführt werden, die wiederum zur Brückenansteuerung dienen.

Es läßt sich daher feststellen, daß mit den soeben geschil-

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derten Ausführungsbeispielen sämtliche erfindungsgemäßen
Vorteile erreicht werden, denn einmal wird nur eine Steuerschaltung vom L1-Typ und nur ein Koppeltransformator benötigt. Andererseits reduzieren die einfachen Verbindungsmittel der vorliegenden Schaltung, die mit dem dreiphasigen Netzwerk notwendig sind, die Möglichkeit von Fehlern und von Kurzschlüssen. Schließlich ist die Einstellung der erforderlichen Verzögerungsschaltungen äußerst einfach und die gleichzeitige Einstellung oder Justierung von drei Regelschaltungen ist nicht mehr erforderlich.

Es ist schon während der Beschreibung erwähnt worden, daß die vorliegende Erfindung selbstverständlich beliebigen
Modifikationen und äquivalenten Lösungsmöglichkeiten zugänglich ist, da insbesondere die einzelnen, verwendeten Bausteine auch in anderen Schaltungsmöglichkeiten realisiert werden können.

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Claims

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Patentansprüche:

1./Verfahren zur Leistungssteuerung in einer mehrphasigen ^—S Thyristorbrücke, dadurch gekennzeichnet, daß nach Art einer Hauptimpuls-Nebenimpuls-Regelung (master-slave control) ein Hauptimpuls gebildet wird, der in einer vorgegebenen und einstellbaren Phasenbeziehung zu einer Phase der mehrphasigen Versorgungsspannung steht, daß der erzeugte Hauptimpuls durch Parallel- oder Serienparallel-Schaltungen zur Erzeugung einer Mehrzahl von Nebenimpulsfolgen weitergeleitet wird, die gleich sind der Anzahl der Phasen der Versorgungsspannung und daß die Jeweiligen erzeugten Nebenimpulsfolgen den Steuergattern der in der Brückenschaltung angeordneten Thyristoren zugeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenimpulse jeweils eine Phasenverschiebung von 2 *ίΓ/η aufweisen, wobei η die Anzahl der Phasen ist.

3. Steuerschaltung zur Leistungssteuerung in einer mehrphasigen Thyristorbrücke zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines Hauptimpulses (master-pulse) mit vorgegebener und einstellbarer Phasenbeziehung zu einer Phase der mehrphasigen Versorgungsspannung eine Steuerschaltung (3o) vorgesehen ist, die mit in Parallelschaltung oder in Serienparallelschaltung angeordneten Verzögerungsschaltungen (53,54) verbunden ist zur Erzeugung einer solchen Anzahl von Nebenimpulsen, wie zu steuernde Phasen in der mehrphasigen Versorgungsspannung vorhanden sind und daß jeweils Koppelschaltungen (5o,51,52;55,56,57) vorgesehen sind, die die erzeugten Nebenimpulse den je-

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weiligen Steuergattern der Thyristoren (22,23,24) der Brücke zuführen.

4. Steuerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelschaltungen zur Isolierung der Regelschaltung von den Ansteuerkreisen Photokopplungsschaltungen (63a,63b,63c) umfassen.

5. Steuerschaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelschaltungen Impulsformerstufen (5o,51,52) enthalten, die insbesondere so ausgebildet sind, daß aus den Hauptimpulsen Nebenimpulse mit längerer Dauer erzeugbar sind.

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