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"Teilgesteuerter Leistungssteller"
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung mit einem
Leistungssteller aus mindestens zwei steuerbaren Halbleiterventilen zur Kopplung
einer ein- oder mehrphasigen Last mit einer oder mehreren Spannungsquellen, wobei
der Leistungssteller den Energiefluß in der Last steuert. Sie kann Anwendung finden
bei Elektrogeräten für den Hausgebrauch wie Heizgeräten, Dimmern, Elektrowerkzeugen,
Haushaltsmaschinen, aber auch in industriellen Anlagen.
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Beim Einsatz derartiger allgemein bekannter Leistungssteller kommt
es darauf an, die durch die Phasenanschnittsteuerung der Steller bedingten Rückwirkungen
auf die Stromversorgungsnetze zu reduzieren. Die entsprechende Problematik ist in
den einschlägigen Normvorschriften (DIN 50 006 vom Juli 1973 sowie Entwurf EN 50.006
vom Juli 1974, S. 1 bis 31) sowie in der DT-OS 24 39 709 (etz-b Bd. 27, (1975) H.
7, S. 146 bis 148) beschrieben.
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Im Gegensatz zu einem mechanischen Schalter, der nur hin und wieder
zur Kopplung von Last und Spannungsquelle betätigt wird, muß ein Halbleiterschalter,
der den Energiefluß in einer
Last steuern soll, bei Blindleistungsbetrachtungen
unmittelbar der Last zugeordnet werden.
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Bei solchen Schaltern, die herkömmlich als Wechselstromsteller, hier
wegen der Betrachtung des Leistungsverhaltens als Leistungssteller bezeichnet werden,
kann man aufgrund ihrer Schalt frequenz fs vier Betriebsweisen unterscheiden: 1.
aperiodisches Schalten 2. periodisches Schalten mit fs < 2fL 3. periodisches
Schalten mit f5 = 2fL 4. periodisches Schalten mit f5 > 2fL, wobei mit L die
Netzfrequenz bezeichnet ist.
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Die in allen Fällen auftretende Schaltblindleistung (M. Depenbrock:
Aussprache zu G. Oberdorfer: Begriffserklärung und Erläuterung der Blindleistung",
VDE-Buchreihe Bd.10 (1963), S. 27 bis 31) belastet das speisende Netz, wenn sie
nicht im Gerät selbst zur Verfügung gestellt wird, wie es z.B.
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bei den in G. Gierse, Blindstromarme, elektronische Steller fUr Heizwiderstände",
etz-b 27 (1975), H. 7, S. 146 bis 148 beschriebenen Wechselstromstellerschaltungen
der Fall ist.
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Auch die periodisch mit fs < 2fX ohne irgendeinen Anschnitt auf
eine ohmsche Last arbeitende Schwingungspaketsteuerung ein Blindstromverbraucher
ist entgegen einer weit verbreiteten Meinung W. Detmann, G. Meid, K. Simon, Halbleiter-Wechselstromstellglieder
für Temperaturregelungen", Regelungstechnische Praxts und Prozeß-Rechentechnik 1972,
H. 2, S. 56 nis 59, Th. Salzmann, "Leistungselektronik" (Nachberichte zur Hannover-Messe
1976) Kap. Wechselstromsteller mit Vollwellensteuerung etz-a Bd. 97 (1976), H. 6,
S. 394) Der Leistungsfaktor 2L ergibt sich in diesem Fall aus der Anzahl n der
innerhalb
einer Stellerperiode T5 auf die Last durchgeschalteten Netzperioden TL zu:
Da die Stromgrundschwingung und die Netzspannung keine unterschiedliche Phasenlage
besitzen, ist hier die auftretende Blindleitung eine reine Verzerrungsleistung und
kennzeichnend für der diskontinuierlich fließenden Strom.
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Bei Oberschwingungsbetrachtungen im speisenden Netz wird häufig auf
den mit Zündeinsatzsteuerung betriebenen Wechsel- oder Dreh stromsteller hingewiesen,
der mit antiparallelen Ventilen in den Wechselstromzuleitungen arbeitet und gerade
bei der häufig vorliegenden ohmschen Belastung einen großen Stromoberschwingungsgehalt
aufweist. Schaltet man häufiger als zweimal pro Periode, läßt sich nur die eventuell
vorhandene Verschiebungsblindleistung reduzieren. Da jedoch die Gesamtblindleitung
eines Wechse -stromstellers nur von der Größe der Last und von der Aussteuerur abhängt,
nicht aber von der Anzahl der Schaltungen pro Periode (w. Schäperklaus, "Wechselstromsteller
mit Phasenpulssteuerung" Diss. TH Aachen 1974), wächst die Stromverzerrung entsprechend.
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Eine Blindstromentlastung des Netzes ist hier also z.B. durch eine
Sektorsteuerung, d.h. eine Phasenan- und -abschnittssteuerung, nicht zu erreichen.
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Betrachtet man einmal die an eine Spannungsquelle angeschlossene Reihenschaltung
einer ohmschen Last und eines periodisch betätigten Schalters, ergibt sich infolge
der Orthogonalität von Schalter- und Lastspannung die Netzscheinleistung SL aus
der Summe der Quadrate der Scheinleistungen des Schalters und der Last Sv. Bei verlustlosem
Schalter ist die Netzblindleistung QL also allein bestimmt durch die am Schalter
zu
messenden Effektivwertkvon Strom und Spannung. Dies gilt auch
fUr jeden Strang eines mehrphasigen Stellers, wenn ein Laststernpunkt vorhanden
ist und dieser mit dem Netzsternpunkt verbunden wird.
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Ist keine Sternpunktverbindung vorhanden, läßt sich die Scheinleistung
eines mehrphasigen Schaltwerkes und damit die Systemblindleistung nicht so einfach
bestimmen. Für die meist vorliegenden symmetrischen, mehrphasigen Anordnungen nach
anliegender Fig. 1 ergibt sich bei ohmscher Belastung die Schalterscheinleistung
SL bzw. die Systemblindleistung QL aus:
wobei m die Anzahl der Phasen ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei phasenanschnitt-bzw.
zündeinsatzgesteuerten Leistungsstelle insbesondere Wechsel- und Drehstromstellern,
die aus dem Netz bezogene Blindleistung zu vermindern, auch wenn das angeschlossene
Gerät bzw. die Last nicht die notwendige Schaltblindleistung bereitstellen kann.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß erfindungsgemäß die Last
in Teilwiderstände aufgeteilt ist bzw. aus solchen besteht, daß jeder Teilwiderstand
parallel zu einem steuerbaren Halbleiterventil liegt und daß alle Teilwiderstände
mit ihren einen Anschlüssen an einem gemeinsamen Verbindungspunkt und mit ihren
anderen Anschlüssen an unterschiedlichen Netzleitungen bzw. -phasen liegen.
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Kt dieser Schaltungsanordnung bzw. mit diesem Leistungssteller ist
es in überraschend einfacher und vorteilhafter möglich,
nur den
Teil der Gesamtlast zu verstellen, der 7.B. aus regelungstechnischen Gründen unbedingt
schnell veränderbar sein muß. Es versteht sich dabei, daß die am Steller bzw. an
den einzelnen steuerbaren Halbleiterventilen auftretenden Effektivwerte von Strom
oder Spannung reduziert sind, woraus sich gemäß der eingangs angegebenen Formel
und den nachfolgenden näheren Betrachtungen auch eine reduzierte Schaltblindleistung,
im praktisch üblichen Stellbereich ein höherer Leistungsfaktor und wunschgemäß eine
wesentlich verringerte Netzrtckwirkung ergeben.
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Bei Einsatz für mehrphasige Lasten sind zweckmäßig an die Netzphasen
zwei Gruppen von jeweils in ihrer Zahl der Phasenzahl entsprechenden Teilwiderständen
angeschlossen. Die der ersten Gruppe zugeordneten steuerbaren Halbleiterventile
liegen dabei mit gleicher Ventilrichtung wie vorbeschrieben am ersten Verbindungspunkt
der ersten Gruppe von Teilwiderständen und die steuerbaren Halbleiterventile der
zweiten Gruppe mit umgekehrter Yentilrichtung am Verbindungspunkt der zweiten Gruppe
von Teilwiderständen. Mit dieser Schaltungsanordnung kann vorteilhaft eine Formgleichheit
der beiden Netzstromhalbschwingungen erreicht werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele neuer erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 schematisch eine allgemein bekannte Schaltungsanordnung
mit symmetrischer, mehrphasiger, ohmscher Last und mit einem Schalt zur Leistungsverstellung
als Bereclinungsbeispiel, Fig. 2 eine Schaltungsanordnung mit teilgesteuertem Leistungssteller,
Fig.
3 den Netzstrom bei Steuerung des k-ten Teiles der Gesamtlast des Leistungsstellers
nach Fig. 2, Fig. 4 die Verzerrungsleistung D eines Leistungsstellers bei Steuerung
des k-ten Teiles der Cesamtlast, Fig. 5 den totalen Leistungsfaktor A eines Wechselstromstellers
bei Steuerung des k-ten Teiles der Gesamtlast, Fig. 6 eine Schaltungsanordnung eines
für Wechselstromlasten bevorzugten teilgesteuerten Leistungsstellers, Fig. 7 eine
Schaltungsanordnung eines teilgesteuerten 3-pulsigen leistungsstellers (Drehstromstellers),
Fig. 8,9 Stromzeitverläufe des Leistungsstellers nach Fig. 7 bei Steuerwinkel von
X = 300 und d= 900 Fig. 10 eine Schaltungsanordnung eines teilgesteuerten 6-pulsigen
Leistungsstellers (Drehstromstellers), Fig. 11 Netzstromzeitverläufe des Leistungsstellers
nach Fig. 10 für Steuerwinkel von «= 300 und d= 900, Fig. 12 die Verzerrungsleistung
D verschiedener Leistungsstellervarianten: Kurve a: für einen vollgesteuerten herkömm-
i lichen Drehstromsteller, Kurve b: für 58,5 %tige Teilsteuerung mit herkömmlichem
Drehstromsteller, Kurve c: für einen teilgesteuerten Leistungssteller nach Fig.
7, Kurve d: für einen teilgesteuerten Leistungssteller nach Fig. 10,
Fig.
13 den totalen Leistungsfaktor A verschiedener Leistungsstellervarianten, Kurven
a bis d entsprechend der Darstellung nach Fig. 12.
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Figur 1 stellt eine symmetrische, mehrphasige bekannte Schaltungsanordnung
dar und dient als Grundlage für die eingangs angegebene Formel. Diese Schaltungsanordnung
besteht im einselnen aus Wechselstromquellen 10, einem in Reihe dazu liegenden Schalter
11 und einer symmetrischen, mehrphasigen ohmschen Last 12, bestehend aus den Tejlwiderständen
R. Die Teilwiderstände R besitzen einen gemeinsamen Verbindungspunkt 13, die Wechselspannungsquellen
10 einen Sternpunkt 14. Die Eingänge in den Schalter 11 sind mit ungeraden Ziffern
1 bis V, die Ausgänge mit geraden Ziffern 2 bis, die eingangsseitigen Wechselströme
mit iLl bis ills bezeichnet. Diese Bezeichnungsweise wird auch nachfolgend beibehalten.
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Zunächst wird zum besseren Verständnis ein vereinfachtes Ausfühningsbeispiel
eines teilgesteuerten Leistungsstellers mit dem auf Seite 9 verläuterten Nachteil
beschrieben, mit den Strom-verläufe erreicht werden können, die äquivalent denjenigen
des eriindungsgemäßen Wechselstromsteller sind.
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Bei einer Wechselstromlast läßt sich eine Teilsteuerung z.B.
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dadurch verwirklichen, daß man einen Teil des Lastwiderstandes R1>
R1 gemäß Fig. 2 parallel zu den in diesem Beispiel unmittelbar antiparallel geschalteten
steuerbaren Halbleiterventilen T1 und T2 des Leistungsstelers- schaltet.
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Schaltet man das Halbleiterventil T1 oder T2 durch, so entsteht in
der entsprechenden Halbschwingung des Netzstromes eine Stufe (Fig. 3), die den 1/k-fachen
Wert des jeweiligen Maximalstromes aufweisen möge. - Eine ähnliche Kurvenform ist
für die Spannung: bei einer 4-stufigen Stromrichter-Sparschaltung bekannt (DT-oS
21 17 602 sowie Aufsatz von Winter in ZEV-Glas. Ann. 97 (1973), Nr. 2/3, Seiten
87 bis 96).
Dem bekannten Fall liegen zwar auch ähnliche Probleme
zugrunde wie vorliegender Erfindung; aber die bekannten Maßnahmen beziehen sich
auf eine Spannungsstufensteuerung durch im Phasen anschnitt arbeitende Teilstromrichter
für Gleichstromverbraucher.
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Die vorliegende Erfindung sieht hingegen eine Aufteilung der 1 Last
und eine Teillaststeuerung vor. -Aus dem Effektiwwert des in Fig. 3 dargestellten
Netzstromes:
seiner Grundschwingung:
und ihrer Phasenverschiebung:
lassen sich die Verzerrungsleistung D und der totale Leistungs faktor it bestimmen,
die bei der Beurteilung der Netzrückwirkungen einer Schaltung vor allem interessieren.
Sie sind in den Fig. 4 und 5 für verschiedene Werte von k in Abhängigkeit vom Effektivwert
des Netzstromes 1L dargestellt. Für k = 1 ergeben sich die Werte eines vollgesteuerten
Wechselstromstellers mit ohmscher Belastung, die als Vergleichsbasis dienen können.
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Lassen sich der erforderliche Stellbereich und die gewünschte maximale
Stromverzerrung nicht in Einklang bringen, so können auch mehrere, einzeln wirklicht
werden. Die Fig. 4 und 5 enthalten punktiert die Verläufe, wenn z.B. zweimal der
vierte Teil der Gesamtleistung nacheinander verstellt wird. In vielen Fällen wird
es ausreichen, wenn nur die halbe Gesamtleistung verstellt wird. Der Leistungsfaktor
liegt dann bereits immer über 4= 0,94.
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Die in Fig.2:gezeigte Anordnung besitzt jedoch den Nachteil einer
mit der Aussteuerung variierenden Leistungsaufteilung auf die beiden Lastwiderstände.
Diesen Nachteil vermeidet die erfindungsgemäße Schaltung nach Fig. 6. In der Schafiung
gemäß Fig. 6 ist die Last 12 in zwei Teilwiderstände 4 getcilt, deren Verbindungspunkt
13 gleichzeitig der kathodenseitige Verbindungspunkt zweier Thyristoren T1 und T2
ist. Die Kathode eines jeden Thyristors T1 bzw. T2 ist einerseits mit einem Anschluß
2 bzw. 4 eines Teilwiderstandes R und andererseits mit einem Pol der Wechselspannungsquelle
10 verbunden.
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Bei der Schaltung gemäß Fig. 6 kann während der positiven Netzhalbschwingung
der eine Teilwiderstand R und während der negativen Halbschwingung der andere R'
kurzgeschlossen werden, so daß eine Stufe mit k = 2 entsteht, die nicht nur aus
NetzgrUnden sondern auch aus anwendungstechnischen Gründen vielfach ausreichend
ist. Durch Parallelschalten weiterer solcher Thyristor-Widerstandskombinationen
läßt sich auch hier der gesteuerte Anteil beliebig variieren. Als Vorteil für den
Betreiber ist noch die verminderte Strombeanspruchung der Yentile T1, T2 zu nennen.
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Ebenso wie bei Wechselstromanwendungen können bei Drehstromlasten
mit der in Fig. 6 gezeigten Parallelschaltung eines
Thyristors
T1 bzw. T2 und eines Widerstandes R bzw. R' teilgesteuerte Leistungssteller als
Drehstromsteller aufgebaut werden. Auch hier ist bei jeder Aussteuerung eine gleichmäßige
Leistungsaufteilung auf alle Teilwiderstände gegeben.
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Bei unmittelbarer Parallelschaltung eines Teils der Lastwiderstände
zu den antiparallelen Ventilen eines herkömmlichen Drehstromstellers wird diese
Eigenschaft natürlich nicht erreicht.
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Die einfachste Ausführung eines solchen teilgesteuerten Drehstromstellers
erhält man, wenn man drei Thyristor-Widerstandskombinationen in Sternschaltung an
ein dreiphasiges Netz anschließt (Fig. 7). In dieser Schaltung sind Elemente gleicher
Funktion wie in Fig. 6 mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Die Silwiderstände R liegen mit ihren einen Anschlüssen am gemeinsamen
Verbindungspunkt 13, an dem auch die Kathoden der Thyristoren Ti, T2 und T3 liegen.
Jeder andere Anschluß 2, 4 und 6 jedes Teilwiderstandes R ist einerseits mit einer
Anode des entsprechenden Thyristors T1 bzw. T2 bzw. T3, andererseits mit einem Anschluß
1 bzw. 3 bzw. 5 einer Wechselstromquelle 10 verbunden. Letztere ist im Stern an
den Nullpunkt 0 geschaltet.
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Das Potential des Punktes 13 ist dabei abhängig von der Aussteuerung
der Thyristoren T1 bis T3 bzw. Ventile. Sind alle Ventile T1 bis T3 gesperrt, besitzt
13 das Potential des Nullpunktes 0, und die Teillastwiderstände R nehmen bei sinusförmigem,
netzfrequentem Strom ihre Minimalleistung Pmin = 3 ULo /R auf.
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Wirken die Ventile T1 bis T3 wie Dioden, nimmt der Punkt 13 entsprechend
der Gleichrichtung sein höchstes Potential an.
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Die sich dabei einstellende maximale Leistung an den Teillastwiderständen
beträgt:
Zwischen diesen beiden Werten läßt sich die Verbraucherleistung stetig verändern.
Die Netzströme ergeben sich dabei aus der Summe eines Thyristorstromes und des Stromes
durch einen Lastwiderstand R, wie die Fig. 8, 9 für zwei verschiedene Aussteuerungen
den Aus den Fig. 8,9 kann man ferner entnehmen, daß infolge der unsymmetrischen
Schaltung die beiden Netzstromhalbschwingungon unterschiedliche Form besitzen, was
zur Folge hat, daß auch Harmonische mit gerader Ordnungszahl auftreten. Diese lassen
sich dadurch vermeiden, daß man dem ersten Steller gemäß Fig. 7 einen: sweiten mit
umgekehrter Ventilrichtung parallelschaltet (Fig.10).
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Auf diese Weise wird eine 6-pulsige Netzrückwirkung erzielt.
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Beide Netzstromhalbschwingungen sind dann formgleich (Fig. 11), und
es treten lediglich Oberschwingungen den Ordnungszahlen n = 6kt 1 mit k = 1, 2,
3 ... auf. Dies wirkt sich günstig auf die Verzerrungsleistung D und den Leistungsfaktor
1 der Schaltung aus, die sich aus der Berechnung der Grundschwingung und des Effektivwertes
des Netzstromes ergeben. In den einzelnen Steuerbereichen gilt für den Effektivwert
der Grundschwingung:
und für den Effektivwert des Gesamtstromes:
Eine Gegenüberstellung der Verzerrungsblindleistungen und der totalen Leistungsfaktoren
mehrerer Stellervarianten zeigen die Fig. 12 und 13. Die mit a bezeichneten Kurven
beziehen sich auf einen herkömmlichen vollgesteuerten Drehstromsteller, die mit
b bezeichneten Kurven ergeben sich, wenn von der Gesamtleistung nur etwa 58,5 %
durch einen herkömmlichen Drehstromsteller gesteuert werden können. Die Verhältnisse,
die sich bei den Stellern nach den Fig. 7 bzw. 10 ergeben, zeigen die mit c und
d bezeichneten Kurven.
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Fast über den gesamten Steuerbereich liefert der 6-pulsige Steller
nach Fig. 10 die günstigsten Werte (Kurve d). Die Tatsache, daß er in der Nähe der
Vollaussteuerung bereits eine Netzstromverzerrung (Fig. 12) aufweist und hier einen
geringeren Leistungsfaktor (Fig. 13) besitzt als herkömmliche Steller, fällt kaum
ins Gewicht. Bei geregelter Betriebsweise wird ein Steller infolge der notwendigen
Reserven in diesem Bereich der theoretischen Vollaussteuerung ohnehin kaum betrieben.
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Durch Parallel schalten von Grundlastwiderständen und von weiteren
Stellereinheiten läßt sich der Steuerbereich so variieren, daß dem Netz nicht mehr
Oberschwingungsströme aufgeprägt werden als bei vorgegebener Anforderung an die
Regelbarkeit unbedingt notwendig.
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Die Strombeanspruchung der Ventile ist natürlich auch hier geringer
als bei herkömmlichen Stellern, die den gesamten Laststrom führen müssen.