DE2644553B2 - Schaltungsanordnung zur Regulierung der von einem Wechselstromnetz an einen Verbraucher abgegebenen elektrischen Leistung - Google Patents

Schaltungsanordnung zur Regulierung der von einem Wechselstromnetz an einen Verbraucher abgegebenen elektrischen Leistung

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Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Regulierung der von einem Wechselstromnetz an einen Verbraucher abgegebenen elektrischen Leistung durch Festlegen des Stromflußwinkels mittels einer in den Strompfad zum Verbraucher geschalteten Transistor-Leistungsschalteinrichtung, welche mittels einer Steuereinrichtung jeweils zu Beginn einer Halbwelle der Netzwechselspannung mindestens angenähert beim Phasenwinkel null Grad eingeschaltet und bei einem dem gewünschten Stromflußwinkel entsprechenden Phasenwinkel ausgeschaltet wird. Eine solche Schaltungsanordnung ist bekannt (GB-PS 10 47 904).
Es ist auch bekannt, Leistungsregulierungen der genannten Art mit den einfachen Mitteln der sogenannten Phasenanschnitt-Regulierung unter Verwendung von Thyristoren oder Trhcs als Leistungsschaltern vorzunehmen. Hierbei wird der Verbraucher während jeder Halbwelle der Netzwechselspannung nach dem Nulldurchgang um einen solchen Phasenwinkel verzögert an das Wechselstromnetz angeschaltet, daß der verbleibende Phasenwinkel der Halbwelle bis zum nächsten Nulldurchgang dem gewünschten Stromflußwinkel entspricht Insbesondere dann, wenn die Anschaltung des Verbrauchers an das Wechselstromnetz bei einem größeren Phasenwinkel, d. h. bei einer relativ hohen Momentanspannung des Netzes erfolgt, treten im Anschaltzeitpunkt beträchtliche Stromspitzenwerte auf, vor allem bei kapazitiven Verbrauchern. Diese Stromspitzen belasten das Netz ungebührlich und verursachen zudem in benachbarten hochfrequenten Verbrauchern, wie beispielsweise Radio- und Fernsehgeräten oder Meßinstrumenten, nachteilige hochfrequente Störungen selbst dann, wenn an der Leistungsschalteinrichtung Störschutzmaßnahmen getroffen wer- den.
Aus der GB-PS 1047 904 ist eine an ein Wechselstromnetz anschaltbare Leistungsschalteinrichtung bekannt, die eine einstellbare elektrische Leistung an einen Verbraucher dadurch abgibt, daß in jeder Halbwelle der gleichgerichteten, aber nicht geglätteten Netzspannung beim Nulldurchgang der Netzspannung ein in Reihe zum Verbraucher geschaltetes Halbleiterschaltelement eingeschaltet und bei einem bestimmten, einstellbaren Phasenwinkel innerhalb der gleichen Halbwelle wieder ausgeschaltet wird. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß beim Anschalten des Verbrauchers an die Netzwechselspannung nachteilige Stromspitzen vermieden werden und dennoch eine freie Wahl des Stromflußwinkels während jeder Halbwelle gewährlei stet ist Als Leistungsschalteinrichtung ist dabei ein Transistor vorgesehen, der durch eine bistabile Kippschaltung gesteuert wird. Diese Anordnung ist aber nicht für große Lasten geeignet Für große Lasten könnte man bei dieser Anordnung daran denken, statt eines einzigen Transistors mehrere parallelgeschaltete Transistoren vorzusehen. Dabei ergibt sich jedoch das Problem der gleichmäßigen Stromaufteilung auf die einzelnen Transistoren, damit nicht einzelne der Transistoren überlastet werden. Hierzu ist es beispiels weise an sich bekannt, für die einzelnen parallelgeschal teten Transistoren Emitterwiderstände vorzusehen (Elektronische Rundschau 1961, Nr. 7, S. 308). Durch diese Widerstände entstehen aber zusätzliche Verluste im Leistungskreis.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art bei Erhöhung der zulässigen Verbraucherleistung durch Parallelschalten mehrerer Transistoren mit verhältnismäßig einfachen Mitteln unter Vermeidung von zusätzlichen Verlusten eine einwandfreie Stromaufteilung zu erreichen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung minde stens zweier mit ihren Kollektor-Emitterstrecken parallelgeschalteter, steuerseitig entkoppelter Transistoren als Leistungsschalter in der Leistungsschalteinrichtung die Steuereinrichtung derart ausgebildet ist, daß die Transistoren mit einer Schaltfrequenz, die höher ist als die Netzfrequenz, abwechselnd derart eingeschaltet werden, daß sich die Zeitabschnitte ihres Einschaltzustandes überlappen, wobei das abwechselnde Einschalten der Transistoren in jeder Halbperiode der Netzwechselspannung von deren Beginn an so lange erfolgt bis der gewünschte Stromflußwinkel erreicht ist.
Dadurch, daß die parallelgeschalteten Transistoren
abwechselnd mit einer die Netzfrequenz übersteigenden
Frequenz eingeschaltet werden, ergeben sich eine
gleichmäßigere Stromverteilung auf die einzelnen Transistoren und günstigere Verhältnisse bezüglich Wärmeabfuhr für die einzelnen Transistoren. Dadurch kann eine höhere Gesamtbelastung als bei bekannten Transistoranordnungen zugelassen werden, oder es
können die erforderlichen Maßnahmen zur Kühlung der Transistoren reduziert werden. Die Überlappung der Zeitabschnitte des Einschaltzustandes der Transistoren bewirkt, daß ein Transistor bei seiner Einschaltung erst nur einen Teil des ihm zugeordneten Stromes übernimmt, da der auszuschaltende Transistor noch Strom führt Somit ergibt sich für den eingeschalteten Transistor eine geringe dynamische Belastung, was insbesondere das Auftreten eines zweiten Durchbruchs verhindert Schließlich erlaubt die abwechselnde Steue- to rung der Transistoren mit höherer Frequenz eine einfachere und präzisere Festlegung des gesamten Stromflußwhikcls in jeder Halbwelle, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn die Leistungsschalteinrichtung Teil eines Regelkreises ist
Die Steuerung der Transistoren erfolgt vorzugsweise über je einen Transformator. Mit Hilfe dieser transformatorischen, potentialtrennenden Kopplung läßt sich die ununterbrochene Steuerung der Leistungsschalteinrichtung mit niedriger Steuerleistung erzielen. Auch kann die Steueirladung jedes Transistors am Ende jedes Steuerimpulses beschleunigt ausgeräumt werden. Zudem wird die durch die niedrige Induktivität der Transformatoren eine kurze Ansprechzeit gewährleistet, da der eingeprägte Strom schnell abgeschnürt werden kann, ohne daß hierzu eine hohe Spannung erforderlich wäre. Zufolge der höheren Frequenz der Steuersignale Läßt sich die Größe der Transformatoren niedrig halteii-
Mit Vorteil weist die Steuerspannung jedes Transistors in ihren Tastlücken einen Bereich auf, dessen Polarität entgegengesetzt derjenigen der Tastimpulse ist. Dadurch läßt sich die Remanenz des zugehörigen Transformators unwirksam machen.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann zur Regulierung beliebiger wechselstromnetzbetriebener Verbraucher, insbesondere solcher mit anteilig hoher kapazitiver Beschaffenheit oder ausgesprochen reflektivem Verhalten sowie blindlastkompensierter Verbraucher vorteilhaft zur Anwendung gelangen, beispielsweise zur Regulierung der Helligkeit einer elektrischen Beleuchtungsanlage oder zur Regulierung von Antriebsleistungen für Elektromotoren, ferner für elektrische Zündungen von Verbrennungsvorgängen.
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Schaltungsancrdnung werden nachstehend anhand der Zeichnung erläutert Es zeigt
F i g. 1 ein Diagramm des zeitlichen Stromverlaufs in einem Verbraucher bei der bekannten Phasenanschnitt-Regulierung,
F i g. 2 ein Diagramm des zeitlichen Stromverlaufs in einem Verbraucher bei der ebenfalls bekannten Regulierung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1,
F i g. 3 ein Schaltungsdiagramm einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
Fig.4 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs von Steuerspannungen für die Leistungsschalteinrichtung der Schaltungsanordnung nach F i g. 3,
Fig.5 ein Schaltungsdiagramm einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
In F i g. 1 ist der zeitliche Verlauf des regulierten, durch einen Verbraucher fließenden Stromes bei einer bekannten Phasenanschnitt-Regulierung dargestellt. Vom ersten Nulldurchgang f 0 an bis zu einem späteren Zeitpunkt 11 bleibt die vorgesehene Leistungsschalteinrichtung gesperrt, d.h. es fließt kein Strom. Im Zeitpunkt ti wird die Leistungsschalteinrichtung eingeschaltet, d.h. der Verbraucher mit dem Netz verbunden, so daß ein plötzlicher Stromanstieg mit hoher Stromäiiiderungsgeschwindigkeit vorliegt, der die bereits erwähnten Stromspitzen und hochfrequenten Störungen verursacht Der Strom fließt dann weiter bis zum nächsten Nulldurchgang 10'.
F i g. 2 zeigt den entsprechenden zeitlichen Stromverlauf bei der ebenfalls bekannten Regulierung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die entsprechende Leistungsschalteinrichtung ist hier bereits im Zeitpunkt tO des ersten Nulldurchgangs eingeschaltet, so daß der Netzwechselstrom schon vom Nulldurchgang der Wechselspannung an durch den Verbraucher fließt und der plötzliche Stromanstieg vermieden ist In einem späteren Zeitpunkt 12 entsprechend dem gewünschten Stromflußwinkel wird die Leistungsschalteinrichtung gesperrt, so daß der durch den Verbraucher fließende Strom auf null sinkt bis beim nächsten Nulldurchgang die Leistungsschalteinrichtung wieder eingeschaltet wird.
Bei dem in F i g. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Verbraucher V über eine Leistungsschalteinrichtung LSi an Klemmen N eines Wechselstromnetzes angeschaltet. Die Leistungsschalteinrichtung L umfaßt zwei Transistoren Tl und T2, die (steuerseitig entkoppelt) parallel geschaltet sind, indem je ihre Kollektoren und Emitter miteinander verbunden sind. Die miteinander verbundenen Kollektoren und Emitter der Transistoren Tl und TTl sind an die eine Diagonale einer Gleichrichterbrücke G1 angeschlossen, welche in jedem Zweig einen Gleichrichter D1, Dl, D3 bzw. D4, z. B. eine oder mehrere Dioden, aufweist Die andere Diagonale der Gleichrichterbrücke ist in Reihe zum Verbraucher V geschaltet. Die Gleichrichterbrücke dient dazu, die Transistoren vor einer Falschpolung zu schützen bzw. einen Zweiweg-Betrieb der dargestellten Leistungsschalteinrichtung zu ermöglichen.
Zur Steuerung der Transistoren 71 und T2 sind ihre Basen über je einen Strombegrenzungswiderstand R1 bzw. Ä2 mit der Sekundärwicklung je eines Treiber-Transformators 77? 1 bzw. TR 2 verbunden. Den Primärwicklungen der Transformatoren wird eine nachfolgend noch beschriebene Steuerspannung Ui bzw. i/2 zugeführt, wozu die Primärwicklungen an getrennte Ausgangsklemmen eines Steuerspannungsgenerators SG1 angeschlossen sind. Die Steuerung der Transistoren Tl und T2 über die Transformatoren ermöglicht es, die erforderliche Steuerleistung durch Impedanzanpassung niedrig zu halten; sie ermöglicht ferner eine Potentialtrennung der Basen der beiden Transistoren. Statt zwei Transistoren Tl und T2 kann auch, je nach Belastung, eine größere Zahi in gleicher Weise parallelgeschalteter Transistoren vorgesehen werden.
Um einerseits genaue Schaltzeitpunkte für die Transistoren Tl und T2 und damit einen genau festgelegten Stromflußwinkel zu erzielen und andererseits die Größe der Treiber-Transformatoren TR1 und TR 2 niedrig zu halten, ist der Steuerspannungsgenerator SC1 so ausgebildet, daß er an seinen Ausgangsklemmen Steuersignale abgibt, deren Frequenz im Vergleich zur Netzfrequenz wesentlich höher und beispielsweise um 1OkHz beträgt. Die Steuersignale sind zudem vorzugsweise mindestens angenähert rechteckig, wobei die an den beiden Ausgangsklemmenpaaren des Steuersignalgenerators 5Gl abgegebenen Steuersignale gegeneinander zeitlich versetzt sind, sich
aber überlappen.
Die vom Steuerspannungsgenerator 5Gl vorzugsweiseabgegebenen Steuerspannungen t/l und t/2 sind in F i g. 4 in Funktion der Zeit schematisch dargestellt. Die Steuerspannung U1 ist eine Rechteckspannung mit Tastimpulsen / und Tastlücken L, in welchen die Steuerspannung auf den Wert null fällt In den Tastlücken L sind jedoch zusätzliche Impulse Z vorgesehen, deren Polarität entgegensetzt derjenigen der Tastimpulse /ist Die Steuerspannung t/2 weist den gleichen zeitlichen Verlauf wie die Steuerspannung UX auf, ist jedoch gegenüber der letzteren zeitlich versetzt, so daß die Tastimpulse /der Steuerspannung U2 in die Tastlücken L der Steuerspannung UX fallen. Wie aus Fig.4 ersichtlich, überlappen die Tastimpulse / der Steuerspannungen U 1 und U 2 während der Zeiten Δ t.
Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung der F i g. 3 ist unter Zugrundelegung der Signalspannungen UX und t/2 der F i g. 4 wie folgt:
Zu Beginn einer Halb welle der Netzwechselspannung (Phasenwinkel null Grad) wird der Steuerspannungsgenerator SGX ausgelöst und gibt die Steuerspannungen UX und t/2 an die Primärwicklungen der Treiber-Transformatoren TOl bzw. TO 2 ab. Zunächst wird über den einen Transformator, z. B. den Transformator TO 1, die Steuerspannung U1 bzw. deren Tastimpuls /, an den Transistor 7"! übertragen, so daß dieser stromleitend wird. Vor Beginn der Sättigung des Transformators TO1 erscheint der Tastimpuls / der Steuerspannung t/2 am Transformator TO 2 und bringt den Transistor T2 in den stromleitenden Zustand, und zwar wegen der Überlappung der Steuerspannungen t/l und t/2, während der Transistor Tl noch stromleitend ist, so daß im Verbraucher V ein kontinuierlicher Stromfluß erzielt wird. Die Tastlücke L der Steuerspannung UX sperrt nun den Transistor TX, wobei der in der Tastlücke vorhandene Zusatzimpuls Z mit umgekehrter Polarität die Remanenzmagnetisierung im Transformator beseitigt und somit dessen Leistungsfähigkeit für den nun nachfolgenden Stromleitungsabschnitt des Transistors 7*1 erhöht. Dieser Vorgang wiederholt sich abwechselnd für die Transistoren TX und T2, so daß die Belastung sich gleichmäßig auf die beiden beteiligten Transistoren TX und T2 verteilt, während der durch den Verbraucher V fließende Strom kontinuierlich den Verlauf der Netzwechselspannung in der betreffenden Halbwelle annimmt Zur Erzielung des gewünschten Stromflußwinkels wird dann der Steuerspannungsgenerator SG X beim entsprechenden Phasenwinkel der Halbwelle gesperrt, so daß eine weitere Steuerung der Transistoren TX und 7*2 in den stromleitenden Zustand bis zum Beginn der nächsten Halbwelle unterbleibt Die Dioden DX bis D 4 der Gleichrichterbrücke G X sorgen hierbei für die richtige Polung im Hinblick auf das abwechselnde Vorzeichen der Halbwellen.
In einem Beispiel war die Impulsfrequenz der Steuerspannungen UX und t/2 1OkHz, die Spannung der Tastimpulse +10 V, die Spannung der Zusatzimpulse — 10 V und das Übersetzungsversthältnis der
to Transformatoren TOl und TO 2 3:1. Die Erzeugung der Steuerspannungen UX und t/2 sowie die Einstellung des gewünschten Stromflußwinkels durch Auslösen und Sperren des Steuerspannungsgenerators SG X kann ohne weiteres mit bekannten Mitteln erfolgen, insbesondere auch mit digitalen Schaltungsanordnungen.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, die einen größeren Strom zu schalten vermag und eine geringere Verlustwärme erzeugt, ist in Fig.5 dargestellt Dort sind in der Leistungsschalteinrichtung LS 2 zwei Anordnungen von entkoppelt parallelgeschalteten Transistoren Γ3, 7*4 und 7*5, 7"6 vorgesehen, deren Steuerung wie beim Ausführungsbeispiel der F i g. 3 über einzeln zugeordnete Treiber-Transformatoren TO 3, TO 4 TO 5 und TO 6 sowie Strombegrenzungswiderstände R 3, R 4, R S und R 6 erfolgt. Zur Erzielung der richtigen Polung für einen Zweiweg-Betrieb ist in Reihe zu jeder Anordnung TO 3 bzw. TO 4 bzw. TO 5, TO 6 von parallelgeschalteten Transistoren ein Gleichrichter DS bzw. D6, z. B. eine Diode geschaltet Diese beiden Reihenschaltungen sind parallel geschaltet und liegen im Netzstrompfad in Reihe zum Verbraucher V, wobei die Stromflußrichtungen der Anordnungen der Transistoren und des Gleichrichters bezüglich der Netz- oder Verbraucheranschlußseite der genannten Parallelschaltung im einen Zweig der Parallelschaltung entgegengesetzt demjenigen im anderen Zweig sind. Die Primärwicklungen der Transformatoren TO 3 bis TO 6 sind an entsprechende Ausgangsklemmen eines Steuerspannungsgenerators SG 2 zur Abgabe der zugehörigen Steuerspannungen t/3, t/4, t/5 und t/6 angeschlossen. Der Verlauf der Steuerspannungen t/3 bis t/6 unterscheidet sich gegenüber demjenigen der Steuerspannungen UX und t/2 der F i g. 3 lediglich darin, daß in Abhängigkeit vor der jeweiligen Polarität der Netzwechselspannung die Steuerung der jeweils unbelasteten Anordnung vor Transistoren Γ3, 7"4bzw. TS, 7*6 unterbleiben kann.
Beim Ausführungsbeispiel der Fig.5 entsteht Verlustwärme nur an zwei Gleichrichtern D3, DA Außerdem verteilt sich die Strombelastung auf viel Transistoren Ti bis 7*6.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Schaltungsanordnung zur Regulierung der von einem Wechselstromnetz an einen Verbraucher abgegebenen elektrischen Leistung durch Festlegen des Stromflußwinkels mittels einer in den Strompfad zum Verbraucher geschalteten Transistor-Leistungsschalteinrichtung, welche mittels einer Steuereinrichtung jeweils zu Beginn einer Halbwelle der Netzwechselspannung mindestens angenähert beim Phasenwinkel null Grad eingeschaltet und bei einem dem gewünschten Stromflußwinkel entsprechenden Phasenwinkel ausgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung mindestens zweier mit ihren Kollektor-Emitterstrecken parallelgeschalteter, steuerseitig entkoppelter Transistoren (Ti, T2; Ti bis 74) als Leistungsschalter in der Leistungsschalteinrichtung (LSi; LS 2) die Steuereinrichtung (SGi; SG2) derart ausgebildet ist, daß die Transistoren (Ti, T2; Ti bis TA) mit einer Schaltfrequenz, die höher ist als die Netzfrequenz, abwechselnd derart eingeschaltet werden, daß sich die Zeitabschnitte ihres Einschaltzustandes überlappen, wobei das abwechselnde Einschalten der Transistoren (Ti, T2; Ti bis TA) in jeder Halbperiode der Netzwechselspannung von deren Beginn an so lange erfolgt, bis der gewünschte Stromflußwinkel erreicht ist
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (Ti, T2; Ti bis TA) über je einen Transformator (TRi, TR2; TR 3 bis 777 6) gesteuert werden
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung (LJi, U2) jedes Transistors (Ti, T2\ Ti bis TA) in ihren Tastlücken einen Bereich aufweist, dessen Polarität entgegengesetzt derjenigen der Tastimpulse ist, um die Remanenz des zugehörigen Transformators (TR i,TR2;TR3 bis TR 6) unwirksam zu machen.
DE2644553A 1976-09-09 1976-10-02 Schaltungsanordnung zur Regulierung der von einem Wechselstromnetz an einen Verbraucher abgegebenen elektrischen Leistung Expired DE2644553C3 (de)

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NL7709860A (nl) 1978-03-13

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