-
-
Anordnung zur Regelung einer Wechselspannung
-
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Regelung einer Wechselspannung
durch von der Wechselspannungsamplitude abhängige Änderung des Übersetzungsverhältnisses
eines Ausgangstransformators.
-
Es sind bereits Regelanordnungen für Wechselspannungen bekannt, bei
denen die Anzapfungen der Primärwicklung eines Transformators abhängig von der Ausgangswechselspannung
über Thyristoren angesteuert werden, wodurch das Übersetzungsverhältnis des Transformators
geändert wird. Bei dieser Anordnung ist jedoch nachteilig, daß man für jede Stufenspannung
eine eigene Anzapfung benötigt, bei achtundzwanzig Stufen wären so beispielsweise
sechsundfünfzig Thyristoren bzw. achtundzwanzig Triacs erforderlich.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung zur Regelung
einer Wechselspannung zu schaffen, bei der unter Beibehaltung des Prinzips der Veränderung
des Ubersetzungsverhältnisses eines Transformators der Aufwand verringert wird.
-
Die Anordnung zur Regelung einer Wechselspannung wird gemäß der Erfindung
derart ausgebildet, daß der mit mehreren Anzapfungen versehenen Primärwicklung des
Ausgangstransformators ein zu einzelnen Gruppen zusammengefaßter elektronischer
Schalter vorgeschaltet ist, an dem eingangsseitig die zu regelnde Wechselspannung
liegt, daß der elektronische Schalter über einen nach dem BCD-Code arbeitenden Zündverteiler
angesteuert wird, daß der Zündverteiler seine Steuerbefehle von einer Kommandoschaltung
erhält, die sowohl eine der absoluten Spannungsabweichung proportionale Frequenz
als auch ein für negative und positive Spannungsabweichungen vom Sollwert binäres
Signal abgibt und daß der Zündverteiler außerdem über eine Nullstromerkennungsschaltung
angesteuert ist, durch die eine
Zündung des elektronischen Schalters
nur in oder in umnittelbarer Nähe des Stromnulldurchgangs ausgelöst wird.
-
Der elektronische Schalter kann dabei aus mehreren Gruppen von Einzelschaltern
bestehen, bei dem die Einzelschalter jeweils antiparallel geschaltete Thyristoren
sind, bei dem jede Gruppe von Einzelschaltern eingangsseitig parallel geschaltet
und ausgangsseitig jeder Schalter mit einer Anzapfung der Primarwicklung des Ausgangstransformators
verbunden ist und daß der Ausgang des letzten Schalters einer Gruppe gleichzeitig
mit dem Eingang des ersten Schalters der nachfolgenden Gruppe verbunden ist.
-
Die Kommandoschaltung besteht aus einer Reihenschaltung eines Gleichrichters
zur Gleichrichtung des Istwertes der echselspannung eines Operationsverstärkers,
eines Komparators, in dem der Sollwert mit dem gleichgerichteten Istwert mittels
einer Zenerdiode verglichen wird, einer Umformerschaltung, die für gleiche positive
und negative Spannungsabweichungen ein gleiches Ausgangssignal liefert, und einem
Spannungs-Erequenzumsetzer besteht, daß der zweite Eingang des Operationsverstärkers
und sein Ausgang außerdem mit einem weiteren Verstärker verbunden ist, dessen Ausgang
an ein NAND-Gatter führt, an dessen Ausgang je nach positiver oder negativer Abweichung
der Wechselspannung vom Sollwert ein binäres Signal abgegeben wird.
-
Die Nullstromerkennungsschaltung besteht aus einem Stromwandler, dem
zwei eingangsseitig parallel geschaltete Gleichrichterbrücken nachgeschaltet sind,
in deren Diagonalen jeweils die Ewitter-Basisstrecke eines Transistors liegt, daß
die Kollektoren dieser Transistoren über ohmsche Widerstände an einer IIilfsglei.chspannung
liegen, daß der Kollektor des einen Transistors und der Kollektor des anderen jeweils
mit der Basis eines weiteren Transistors gekoppelt ist, und daß diese beiden Transistoren
kollektorseitig miteinander verbunden sind.
-
Der Zündverteiler besteht aus einem elektronischen Zähler, der aus
mit der Anzahl der Gruppen von elektrischen Schaltern übereinstimmenden elektronischen
Einzelzählern aufgebaut ist, wobei der Zählumfang jedes Zählers mit der Zahl der
elektronischen Schalter einer Gruppe übereinstimm-t, daß der Zählereingang eine
der Ausgangswechselspannungsabweichung proportionale Frequenz über einen elektronischen
Schal-ter erhält, dessen zweiter Eingang mit dem einen Ausgang der Nullstromerkennungsschaltung
verbunden ist und das lineare Signal dieser Schaltung dem ersten Einzelzähler zugeführt
ist, daß den BCD-Ausgängen dieser Zähler Decodierer nachgeschaltet sind, über die
die elektronischen Schalter angesteuert werden.
-
Ein weiterer Eingang jedes elektronischen Schalters kann mit dem Ausgang
eines weiteren elektronischen Schalters verbunden sein, an dessen einem Eingang
ein Taktgenerator liegt und dessen zweiter Eingang mit dem anderen Ausgang der Nullstromerkennungsschaltung
verbunden ist.
-
Anhand der Ausführungsbeispiele nach den Figuren 1 bis 6 wird die
Erfindung näher erläutert.
-
Figur 1 zeigt einen Blockstromlauf. Die Eingangsspannung UE gelangt
über die Eingangssicherung el und den Hauptschalter al an den elektronischen Schalter.
Der elektronische Schalter wird durch das Steuerteil angesteuert. Dieses Steuerteil
zündet am elektronischen Schalter dasjenige Schaltglied, das mit der ihm zugeordneten
Anzapfung am Transformator mi den Nominalwert der Ausgangsspannung UA ergibt. Weicht
die Ausgangsspannung von dem vorgegebenen Sollwert ab, wird über die Kommandobildung
der Zündverteiler so angesteuert, daß der elektronische Schalter die Eingangsspannung
auf die Anzapfung des Transformators mi gibt, die nun durch das geänderte Übersetzungsverhältnis
auf die gewünschte Ausgangsspannung mit dem vorgegebenen Sollwert transformiert
wird. Die Zündung des elektronischen Schalters
erfolgt stets im
Nulldurchgang des Stromes. Damit wird eine Netzrückwirkung weitgehend verhindert.
Die Kurvenform der Ausgangsspannung ist mit der Kurvenform der Eingangsspannung
identisch. Ebenfalls ist die Phasenlage von Eingangs- und Ausgangsspannung gleich.
-
Figur 2a zeigt das Zusammenwirken des elektronischen Schalters mit
dem Transformator m1, wobei der Transformator mit Getrenntwicklungen ausgeführt
ist. In Figur 2b ist eine Ausführung für einen Spartransformator gezeigt, während
Figur 3 eine Ausführung für hohe leistungen mit einem Zusatztransformator darstellt.
-
Der Transformator ml ist im Beispiel Fig. 2a mit acht Wicklungen versehen.
Wicklung 111 bis N7 bilden die Primärwicklung, N8 stellt die Sekundärwicklung dar.
Die Dimensionierung der Wicklungen ist so zu wählen, daß bei Umschalten des elektronischen
Schalters ES1 von Stufe 9 auf Stufe 10, bzw. von 8 auf 9 oder umgekehrt eine Eingangsspannungsänderung
von der maximal zulässigen Ausgangsspannungsabweichung ausgeregelt wird.
-
nie Stufenänderung beim elektronischen Schalter ES2 beträgt das n1-fache
der Stufenänderung von ES 1. n1 ist die Anzahl der Stufen vom elektronischen Schalter
ES 1. Die Stufenänderung für den elektronischen Schalter ES 3 ist wiederum das n2-fache
der Stufenänderung von ES2. n2 ist die Anzahl der Stufen vom elektronischen Schalter
ES 2. Die Wicklung N1 ist so auszulegen, daß bei minimaler Eingangsspannung, die
noch ausgeregelt werden soll, durch das Ubersetzungsverhältnis Ni/N8 der Sollwert
der Ausgangsspannung erreicht wird. Bei symmetrischem Eingangsspannungsbereich und
Nenneingangsspannung sind die elektronischen Schalter ESi/b, ES2/b und ES3/b stromführend.
Steigt die Eingangsspannung um 1 mal A U <Ah Uzul Ausgangstoleranz > an, wird
von ES1/b auf ES1/a umgeschaltet.
-
Ein weiterer Anstieg der Eingangsspannung um 1 x A U wird durch Umschalten
von ES2/b auf ES2/a und von ES1/a auf ES1/c ausgeregelt. Die daraus resultierende
Gesamtänderung des Übersetzungsverhältnisses
entspricht der Eingangsspannungsänderung
von 1 X A U.
-
Nachstehender Tabelle ist zu entnehmen, welche elektronischen Schalter
bei verschiedenen Eingangsspannungen stromführend sind.
-
U ES 1 ES 2 ES 3 22e # % a b c a b c a b c
| UA= 220 V - 2 - 28 x x x |
| - 26 x x x |
| - 24 x x x |
| - 22 x x x |
| - 20 x x x |
| - 18 x x x |
| - 16 x x x |
| - 14 x x x |
| - 12 x x x |
| - - 10 10 x x |
| - 8 x x x |
| - 6 x x x |
| - 4 x x x |
| - 2 x x x |
| UA = 220 V # 2% # 0 x x x |
| + 2 x x x |
| + 4 x x x |
| + 6 x x x |
| + 8 x x x |
| + 10 x x x |
| + 12 x x x |
| + 14 x x x |
| + 16 x x x |
| + 18 x x x |
| + 20 x x x |
| UA= 220 V + 2% + 28 x x x |
Wie anhand der vorstehenden Tabelle zu ersehen ist, benötigt man
bei einer maximalen Ausgangstoleranz von - 2% und einem + Eingangsschwankungsbereich
von - 28r/o drei elektronische Schalter zu je drei Stufen. Dies ergibt einen gesamten
Halbleiteraufwand von achtzehn Thyristoren bzw. neun Triacs. Würde man bei gleichen
technischen Daten nicht die Code-Steuerung, sondern einzelne Anzapfungen für jede
Stufenspannung verwenden, so wären vierundfünfzig bzw. siebenundzwanzig Triacs erforderlich,
was einen Mehraufwand von sechsunddreißig Thyristoren bzw. achtzehn Triacs bedeuten
würde. Ebenfalls im selben Maße erhöht sich der Aufwand für die Steuerschaltung.
Diese Art der Steuerung bringt eine wesentliche Ersparnis an Halbleitern.
-
erden die einzelnen Thyristorpaare bzw. Triacs zur statischen und
dynamischen Spannungsaufteilung mit der notwendigen R-und RC-Beschaltung versehen,
so können Halbleiter mit geringer zulässiger Sperrspannung verwendet werden, da
immer mehrere Sperrschichten in Serie geschaltet sind, wie aus Figur 2a ersichtlich.
Dies führt zu einer wesentlichen Kostensenkung des Reglers.
-
Die folgende Tabelle soll Aufschluß darüber geben, wie hoch der Aufwand
an Halbleitern für Code-Steuerung und normale Stufensteuerung ist.
| Bereich Toleranz Zahl der notwendi- Zahl der notwendi- |
| gen Thyristoren bei gen Thyristoren bei |
| # <%> # <%> |
| Code-Steuerung einfacher Stufenan- |
| steuerung |
| Thyrist. Triac Thyrist. Triac |
| # 10% # 5% - - 6 <3> |
| + 15%-10% # 5% 8 <4> 8 <4> |
| + 25%-20% # 5% 12 <6> 16 <8> |
| # 25% # 5% 12 <6> 18 <9> |
| # 40% + 5% 16 <8> 30 <15> |
| + 10%-5% # 3% 8 <4> 8 <4> |
| # 15% # 3% 12 <6> 18 <9> |
| + 42% + 3% 18 <9> 50 <25> |
| # 5% | # 2% | 8 <4> | 8 |
| + 10% + 2% 12 <6> 18 <9> |
| + 28% + 2% 18 <9> 54 <27> |
| + 46% + 2% 22 <11> 90 <45) |
| # 5% + 1% 12 46> 18 |
| + 14% + 1% 18 <9> 54 <27> |
| # 23% | # 1% | 22 <11> | 90 <45> |
| + 41% + 1% 24 <12> 162 <81> |
Die Kommandoschaltung ist in Figur 4 gezeigt. Sie arbeitet wie
folgt: Der Istwert der Ausgangsspannung wird durch den Transformator m3 aul ein
gewünschtes Niveau transformiert und galvanisch getrennt. Die Ausgangsspannung dieses
Meßtransformators wird einer Schaltung zugeführt, die den Wechselspannungswert in
einen Gleichspannungswert umformt. Dies kann durch einen Effektivwertwandler auf
Rechnerbasis, durch Thermowandler oder als Quasi-Effektivwertwandler durch ein Netzwerk
aus Dioden und Widerständen erfolgen. Ebenfalls ist eine einfache Mittelwertbildung
durch Gleichrichtung und Siebung möglich. Dieses der Ausgangsspannung proportionale
Signal wird auf den als Impedanzwandler geschalteten Operationsverstärker p1 gegeben.
Dieses Ausgangssignal gelangt an den Komperator p2, der das Istwertsignal mit dem
durch eine Zenerdiode vorgegebenen Sollwert vergleicht und ein entsprechendes Ausgangssignal
liefert. Dieses Signal wird mit Hilfe von p4 und dessen Beschaltung so umgeformt,
daß bei positiver und negativer Abweichung das gleiche Ausgangssignal an den Spannungs-Frequenzumsetzer
geliefert wird. Dieser liefert eine Ausgangsfrequenz, die der Abweichung proportional
ist. Dadurch kann eine große Abweichung vom Sollwert zeitlich kürzer ausgeregelt
werden. Die Regelzeit wird somit nahezu unabhängig von der Sollwertabweichung. Über
den Verstärker p3 und das NAND-Gatter p5 wird das Signal A gebildet. Dieser Ausgang
liefert eine logische 0, wenn die Ausgangsspannung des Reglers größer dem Sollwert,
und eine logische Eins, wenn die Ausgangsspannung kleiner dem Sollwert ist. Beide
Signale A und B dienen zur Ansteuerung des Zündverteilers.
-
Die Nullstromerkennungsschaltung ist in Figur 5 gezeigt.
-
Ihre Wirkungsweise wird nachstehend erläutert.
-
Der Stromwandlertransformator m4 liefert an seinem Ausgang 3 - 4 eine
Spannung, die dem Brimärstrom i proportional und mit diesem in Phase ist. Um diese
Phasengleichheit zu
erhalten, muß der Stromtransformator mit sehr
geringer Streuung ausgeführt werden. Die Dimensionierung des Stromwandlers muß so
erfolgen, daß der Leerlaufaufnahmestrom des Transformators ml noch ein genügend
großes Ausgangssignal am Stromtransformator m4 liefert, wie es zur Weiterverarbeitung
notwendig ist. Der Bürdenwiderstand des Stromtransformators wird durch die Kombination
n1, k1 und r1 gebildet, rl bildet die Bürde für kleine Signalspalmungen. Bei großen
Signalspannungen wird durch die Zenerdiode n1 der Ausgang oberhalb der Zenerspannung
niederohmig begrenzt.
-
Der Kondensator k1 dient zur Unterdrückung von Störimpulsen höherer
Frequenz. Dieses so umgeformte Signal wird zwei Gleichrichterbrücken n2 und n3 zugeführt.
IIier wird eine Gleichspannung gewonnen, die auf die Transistoren p1 bzw. p3 gegeben
wird. Der Transistor p6 bzw. p8 ist nur unmittelbar im Bereich des Nulldurchganges
der Spannung gesperrt. Durch die Transistoren pl bzw. p9 wird die Schaltflanke noch
versteilert, so daß an den Ausgängen N1 und N2 ein Rechteckimpuls erscheint, der
mit dem Nulldurchgang des Stromes in Phase ist. Mit den Widerständen r4 bzw. r5
kann die Rechteckimpulsbreite eingestellt werden. Sie sind so abzugleichen, daß
der Rechteckimpuls N1 zeitlich kürzer ist als N2.
-
Die Figur 6 zeigt den Zündimpulsverteiler für die Codesteuerung. Der
Zündimpulsverteiler besteht im wesentlichen aus einem elektronischen Zähler p15
- p17. Dieser elektronische Zähler ist aus g einzelnen Zählern aufgebaut, wobei
jeder einen Zählumfang von n besitzen muß. g ist die Zahl der elektronischen Schalter,
n die Stufen eines jeden elektronischen Schalters, wie bereits beschrieben wurde.
Die BUD-Ausgänge der einzelnen elektronischen Zähler werden durch die Decoder p12
- p14 decodiert und die Analogschalter p22- p30 damit angesteuert. Der zweite Eingang
aller dieser Analogschalter wird durch den Ausgang des Analog-
schalters
p10 angesteuert. Dieser Analogschalter bekommt an seinen ersten Eingang konstante
Zündimpulse mit ca. 20 klfz Taktfrequenz von pld. Am zweiten Eingang liegt das Mullstromsignal
Nl. Somit erscheinen die Taktimpulse in Paketen, die in Phase zum Nulldurchgang
des Eingangsstromes 1E sind. Diese Impulspakete werden dem Analogschalter p1 - p9
an den ersten Eingang gegeben. Die zweiten Eingänge werden durch die Decoder p12
-p14 angesteuert. Dadurch werden die Impulspakete nur an diejenigen Ausgänge weitergeleitet,
wie dies durch die Zahler und deren Decoder programmiert wird. Damit kann durch
Auf- oder Abwärtszählen des Zählers die Ansteuerung der elektronischen Schalter
für die einzelnen Transformatorstufen erfolgen. Rür einen sicheren Betrieb der elektronischen
Schalter darf während des Stromnulldurchganges, d.h. während der Zeit, in der Zündimpulse
an bestimmte Stufen des elektronischen Schalters geliefert werden, keine Zustandsänderung
des elektronischen Zählers erfolgen. Zu diesem Zweck sind die Zählimpulse B mit
dem Analogschalter p11 durch das Signal N2 verriegelt.
-
Der elektronische Zähler muß beim Aufwärtszählen bei seinem maximalen
möglichen Zählerstand blockiert werden. Im Beispiel bedeutet dies, daß der Zählerstand
2-2-2 blockiert werden muß. Dies ist ebenfalls beim Abwärtszählen im Zustand 0-0-0
notwendig. Diese Maßnahme wird durch die Gatter p19 - p21 erreicht.
-
Die einzelnen Zähler müssen auf die jeweils vorhandenen Stufenzahlen
pro elektronischem Schalter angepaßt werden, d.h. jeder Zähler muß durch Programmierung
auf ein Teilverhältnis von n gebracht werden.
-
Für das Vorwärtszählen wird dies dadurch erreicht, daß der Ausgang
n des Decoders auf den jeweiligen Reseteingang des zugehörigen Zählers geführt wird.
Dadurch wird der Zähleraif
0 gesetzt,wenn die Programmiereingänge
auf log. 0 gesetzt sind, und es gibt n stabile Zustände.
-
Beim Rückwärts zählen muß bei Erscheinen eines Signals am Ausgang
9 des Decoders der Zähler auf n-1 gesetzt werden.
-
Dafür steht das Vor-Rückwärtssignal der Kommandobildung zur Verfügung.
Werden Zähler mit größerem oder kleinerem maximalem Zählumfang verwendet, so sind
diese Punkte entsprechend abzuändern.
-
Die nachfolgende Tabelle soll die Funktionsweise des Zündverteilers
für die einzelnen Zählimpulse noch näher aufzeigen.
| Zählerzustand im BCD-Code Zündimpulse an elektr.Schaltern |
| 0000 0000 0000 ES 1 a ES 2 a ES 3 a |
| 0001 0000 0000 | ES 1 b ES 2 a ES 3 a |
| 00f0 0000 0000 ES 1 c ES 2 a ES 3 a |
| 0000 0001 0000 ES 1 a ES 2 b ES 3 a |
| 0001 0001 0000 ES 1 b ES 2 b ES 3 a |
| 0010 0001 0000 1 ES 1 c ES 2 b ES 3 a |
| 0000 0010 0000 i ES 1 a ES 2 c ES 3 a |
| 000 | 0010 0000 . ES 1 b ES 2 c ES 3 a |
| 0010 0010 0000 1 ES 1 c ES 2 c ES 3 a |
| 0000 0000 0001 | ES 1 a ES 2 a ES 3 b |
| 000| 000 000| ES 1 b ES 2 a ES 3 b |
| 0010 0000 0001 ES 1 c ES 2 a ES 3 b |
| 0000 0001 0001 ES 1 a ES 2 b ES 3 b |
| 0001 0001 0001 ES 1 b ES 2 b ES 3 b |
| 0010 0001 0001 ES 1 c ES 2 b ES 3 b |
| 0000 0010 0001 ES 1 a ES 2 c ES 3 b |
| 0001 0010 0001 ES 1 b ES 2 c ES 3 b |
| 0000 0010 0001 ES 1 c ES 2 c ES 3 b |
| 0000 0000 0010 ES 1 a ES 2 a ES 3 c |
| 0001 0000 0010 ES 1 b ES 2 a ES 3 c |
| 0010 0000 0010 ES 1 c ES 2 a ES 3 c |
| 0000 000 1 0010 ES 1 a ES 2 b ES 3 c |
| 0001 0001 0010 ES 1 b ES 2 b ES 3 c |
| 00l0 0001 0010 ES 1 c ES 2 b ES 3 c |
| 0000 0010 0010 ES 1 a ES 2 c ES 3 c |
| 0001 0010 0010 ES 1 b ES 2 c ES 3 c |
| 0010 00(0 0010 ES 1 c ES 2 c ES 3 c |
6 Patentansprüche 6 Figuren