DE2716052C2

DE2716052C2 - Teilgesteuerter Leistungssteller

Info

Publication number: DE2716052C2
Application number: DE19772716052
Authority: DE
Inventors: Manfred Prof. Dr. 4630 Bochum Depenbrock; Georg Dipl.-Ing. 4320 Hattingen Gierse
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1977-04-09
Filing date: 1977-04-09
Publication date: 1985-06-20
Also published as: DE2716052A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen teilgesteuerten Leistungssteller gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie kann Anwendung finden bei Elektrogeräten für den Hausgebrauch wie Heizgeräten, Dimmern, Elektrowerkzeugen, Haushaltsmaschinen, aber auch in industriellen Anlagen.

Ein solcher teilgesteuerter Leistungssteller ist aus K. Heumann, »Grundlagen der Leistungselektronib-, Teubner-Verlag, 1975, Seite 67/68 bekannt.

Beim Einsatz derartiger 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, Seite 1 bis 31) sowie in der DE-OS 24 39 709 (etz-b Bd. 27, [1975], H. 7, Seite 146 bis 148) beschrieben.

Im Gegensatz zum mechanischen Schalter, der nur hin und wieder zur Kopplung von Last und Spannungsquelle betätigt wird, muß ein Halbleiterschalter, der den Energiefiuß in einer Last steuern soll, bei Blindleistungsbetrachtungen unmittelbar der Last zugeordnet werden.

Bei solchen Schaltern, die herkömmlich als Wechselstromsteller, hier wegen der Betrachtung des Leistungsverhaltens als Leistungssteller bezeichnet werden, kann man aufgrund ihrer Schaltfrequenz./, vier Betriebsweisen unterscheiden:

1. aperiodisches Schalten

2. periodisches Schalten mit/, < 2/,

3. periodisches Schalten mit./' = 2f,

4. periodisches Schalten mit Z₁ > 2/,,

wobei mit,/) die Netzfrequenz bezeichnet ist.

Die in allen Fällen auftretende Schaltblindieistung (M. Depenbrock: Aussprache zu G. Oberdorfer: »Begriffserklärung und Erläuterung der Blindleistung«, VDE-Buchreihe Bd. 10 [1963], Seite 27 bis 31) belastet das speisende Netz, wenn sie nicht im Gerät selbst zur Verfugung gestellt wird, wie es z. B. bei den in G. Gierse, »Blindstromarme, elektronische Steller für Heizwiderstände«, etz-b 27 (1975), H. 7, Seite 146 bis 148 beschriebenen Wechselstromstellerschaltungen der Fall ist. Auch die periodisch mit./; < 2/, ohne irgendeinen Anschnitt auf eine ohmsche Last arbeitende Schwingungspaketsteuerung ist entgegen einer weit verbreiteten Meinung ein Blindstromverbraucher (W. Detmann, G. Meid, K. Simon, »Halbleiter-Wechselstromstellglieder für Temperaturregelungen«, Regelungstechnische Praxis und Prozeß-Rechentechnik 1972, H. 2, Seite 56 bis 59, Th. Salzmann, »Leistungselektronik« [Nachberichte zur Hannover-Messe 1976] Kap. Wechselstromsteller mit Vollwel-Ansteuerung et/-a Bd. 97 [1976], H. 6, Seite 394). Der Leistungsfaktor / ergibt sich in diesem Fall aus der Anzahl /; der innerhalb einer Stellerperiode 7^ auf die Last durchgeschalteten Netzperioden T₁ zu:

Da die Stromgrundschwingung und die Netzspannung keine unterschiedliche Phasenlage besitzen, ist hier die auftretende Blindleistung eine reine Verzerrungsleistung und kennzeichnend für den diskontinuierlich fließenden Strom.

Bei Oberschwingungsbetrachtungen im speisenden Netz wird häufig auf den mit Zündeinsatzsteuerung betriebenen Wechsel- oder Drehstromsteller 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 vorhan-

dene Verschiebungsblindleistung reduzieren. Da jedoch die Gesamtblindleistung eines Wechselstromsteller nur von der Größe der La=t und von der Aussteuerung abhängt, nicht aber von der Anzahl der Schaltungen pro Periode (W. Schäperklaus, »Wechselstromsteller mit Phasenpulssteuerung«, Diss. TH Aachen 1974), wächst die Stromverzerrung entsprechend. Eine Blindstromentlastung des Netzes ist hier also z. B. durch eine Sektorsteuerung, d. h. eine Phasenan- und -abschnhtssteuerung, nicht zu erreichen.

Betrachtet man einmal die an eine Spannungsquelle angeschlossene Reihenschaltung einer ohmschen Last und eines periodisch betätigten Schalters, ergibt sich infoige der Orlhogonalität von Schalter- und Lastspannung die Nct/schcinleistung S, aus der Summe der Quadrate der Scheinleistungcn des Schallers S_% und der Last S_v. Bei verlustlosem Schalter ist die Netzblindleistung Q₁ alsoallein bestimmt durch die am Schalter .zu messenden EITektivwerte von Strom und Spannung. Dies gilt ->.uch für jeden Strang eines mehrphasigen Stellers, wenn ein Laststernp unkt vorhanden ist und dieser mit dem Netzsternpunkt verbunden wird.

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 F i g. 1 ergibt sich bei ohmscher Belastung die Schalterscheinleistung S_L bzw. die Systemblindleistung Q₁ aus:

wobei m die Anzahl der Phasen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei ansteuerbaren Leistungsstellern, 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.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Mit dieser Schaltungsanordnung bzw. mit diesem Leisturigssteller ist es in überraschend einfacher und vorteilhafter Weise möglich, nur den Teil der Gesamtlast zu verstellen, der z. 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 Netzrückwirkung ergeben.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Mit Hilfe der Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 kann vorteilhaft eine Formgleichheit der beiden Netzstromhalbschwingungen erreicht werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine allgemein bekannte Schaltungsanordnung mit symmetrischer, mehrphasiger, ohmscher Last und mit einem Schalter zur Leistungsverstellung als Berechnungsbeispiel,

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung mit teilgesteuertem Leistungssteller, Fig. 3 den Netzstrom bei Steuerung des Α-ten Teiles der Gesamtlast des Leistungsstellers nach Fig. 2,
Fig. 4 die Verzerrungsleistung D eines Leistungsstellers bei Steuerung des Α-ten Teiles der Gesamtlast,
Fig. 5 den totalen Leistungsfaktor / eines Wechselstromstellers bei Steuerung des A·-ten Teiles der Gesamtlast,

Fig. 6 eine Schaltungsanordnung eines für Wechselstromlasten bevorzugten teilgesteuerten Leistungsstellers,

Fig. 7 eine Schaltungsanordnung eines teilgesteuerten 3pulsigen Leistungsstellers (Drehstromstellers),
Fig. 8, 9 Stromzeitverläufe des Leistungsstellers nach Fig. 7 bei Steuerwinkel von a - 30° und a = 90°, Fig. 10 eine Schaltungsanordnung eine.-; teilgesteuerten opulsigen Leistungsstellers (Drehstromstellers), Fig. 11 Netzstromzeitverläufe des Leistungsslellers nach Fig. 10 für Steuerwinkel von a = 30°und a = 90°, Fig. 12 die Verzerrungsleistung D verschiedener Leistungsstellervarianten:

Kurve a: Tür einen vollgesteuerten herkömmlichen Drehstromsteller,

Kurve b: für 58,5%tige Teilsteuerung mit iierkömmlichem Drehstromsteller,

Kurve c: Tür einen teilgesteuerten Leistungssteller nach Fig. 7,

Kurve d: für einen teilgesteuerten Leistungssteller nach Fig. 10,

Fig. 13 den totalen Leistungsfaktor λ verschiedener Leistungsstellervarianten, Kurven α bis d entsprechend der Darstellung nach Fig. 12.

F i g. 1 stellt eine symmetrische, mehrphasige bekannte Schaltungsanordnung dar und dient als Grundlage für die eingangs angegebene Formel. Diese Schaltungsanordnung besteht im einzelnen aus Wechselstromquellen 10, einem in Reihe dazu liegenden Schalter 11 und einer symmetrischen, mehrphasigen ohmschen Last 12, bestehend aus k-Teilwiderständen 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 /, , bis /_;, bezeichnet. Diese Bezeichnungsweise wird auch nachfolgend beibehalten.

Zunächst wird zum besseren Verständnis ein vereinfachtes Ausfuhrungsbeispiel eines teilgesteuerten Lcistunesstellers mit dem auf Seite 4 erläuterten Nachteil beschrieben, mit den Stromverläufe erreicht werden kön-

nen, die äquivalent denjenigen des erfindungsgemäSen Wechselstromsteller sind.

Bei einer Wechselstromlast läßt sich eine Teilsteuerung z. B. dadurch verwirklichen, daß man einen Teil des Lastwiderstandes R₁, R\ gemäß Fig. 2 parallel zu den in diesem Beispiel unmittelbar antiparallel geschalteten steuerbaren Halbleiterventilen ΓΙ und Tl des Leistungsstellers schaltet.

Schaltet man das Halbleiterventii TX oder Tl durch, so entsteht in der entsprechenden Halbschwingung des Netzstromes eine Stufe (Fig. 3), die den l//t-fachen Wert des jeweiligen Maximalstromes aufweisen möge. - Eine ähnliche Kurvenform ist für die Spannung bei einer 4stufigen Stromrichter-Sparschaltung bekannt (DE-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 lü bekannten Maßnahmen beziehen sich auf eine Spannungsstufensteuerung durch im Phasenanschnitt arbeitende Teilstromrichter für Gleichstromverbraucher. Die vorliegende Erfindung sieht hingegen eine Aufteilung der Last und eine Teillaststeuerung vor. -

Aus dem Efiektivwert des in Fig. 3 dargestellten Netzstromes:

2g-sin2g

seiner Grundschwingung:

-- -r— t/A sin⁴ a + (2 ιk - 2 a + sin 2 a)²

und ihrer Phasenverschiebung:

, -2sin-Q·

q>i = arc tan j

2,τΑ·- 2a + sin2a J-

lassen sich die Verzerrungsleistung D und der totale Leistungsfaktor λ bestimmen, die bei der Beurteilung der ^Λ

Netzrückwirkungen einer Schaltung vor allem interessieren. Sie sind in den Fi g. 4 und 5 für verschiedene Werte von A- in Abhängigkeit vom Effektivwert des Netzstromes // dargestellt. Für k = 1 ergeben sich die Werte eines vollgesteuerten Wechselstromstellers mit ohmscher Belastung, die als Vergleichsbasis dienen können.

Lassen sich der erforderliche Stellbereich und die gewünschte maximale Stromverzerrung nicht in Einklang bringen, so können auch mehrere, einzeln verstellbare Teilleistungsstufen durch mehrere parallele Steller verwirklicht 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 / = 0,94.

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 Schaltung gemäß Fig. 6 ist die Last 12 in zwei Teilwiderstände R, R' geteilt, deren Verbindungspunkt 13 gleichzeitig der kathodenseitige Verbindungspunkt zweier Thyristoren Tl und Tl ist. Die Kathode eines jeden Thyristors T1 bzw. Tl ist einerseits mit einem Anschluß 2 bzw. 4 eines Teilwiderstandes R und andererseits mit einem Pol der Wechselspannungsquelle !0 verbunden.

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 Netzgründen 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 Ventile 7"1, Tl zu nennen.

. 1 Ebenso wie bei Wechselstromanwendungen können bei Drehstromlasten mit der in Fi g. 6 gezeigten Parallel-

50 schaltung eines Thyristors Π bzw. Tl und eines Widerstandes R bzw. R' teilgesteuerte Leistungssteiler als

Drehstromsteller aufgebaut werden. Auch hier ist bei jeder Aussteuerung eine gleichmäßige Leistungsaufteilung auf alle Teilwiderstände gegeben. Bei unmittelbarer Parallelschaltung eines Teils der Lastwiderstände zu j[

den antiparallelen Ventilen eines herkömmlichen Drehstromstellers wird diese Eigenschaft natürlich nicht erreicht.

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. Die Teilwiderstände R liegen mit ihren einen Anschlüssen am gemeinsamen Verbindungspunkt 13, an dem auch die Kathoden der Thyristoren 7"1. T2und Γ3 liegen Jeder andere Anschluß 2,4 und 6 jedes Teil Widerstandes R ist einerseits mit einer Anode des entsprechenden Thyristors 7"1 bzw. Tl bzw. Γ 3, andererseits mit einem Anschluß 1 bzw. 3 b/w. 5 einer Wechselstromquelle 10 verbunden. Letztere ist im Stern an den Nullpunkt 0 geschaltet Das Potential des Punktes 13 ist dabei abhängig von der Aussteuerung der Thyristoren T1 bis 7"3 bzw. Ventile. Sind alle Ventile T1 bis TZ gesperrt, besitzt 13 das Potential des Nullpunktes 0, und die Teillastwiderstände R nehmen bei sinusförmigem, netzfrequentem Strom ihre Minimalleistung

P,„_w = 3 LuJR
auf.

Wirken die Ventile Π bis Γ3 wie Dioden, nimmt der Punkt 13 entsprechend der Gleichrichtung sein höchstes Potential an. Die sich dabei einstellende maximale Leistung an den Teillastwiderständen beträgt:

'max ·> r> \ λ I ^' "<»"<' s

Λ \ Iff / J

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 Λ, wie die F i g. S, 9 fur zwei verschiedene Aussteuerungen zeigen. Aus den Fig. 8,9 kann man ferner entnehmen, daß infolge der unsymmetrischen Schaltung die beiden Netzstromhalbschwingungen 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 zweiten mit umgekehrter Ventilrichtung parallelschaltet (F i g. 10). Auf diese Weise wird eine opulsige Netzrückwirkung erzielt. Beide Netzstromhalbschwingungen sind dann formgleich (Fig. 11), und es treten lediglich Oberschwingungen mit den Ordnungszahlen η = 6 λ· ± 1 mit k = 1,2,3... auf. Dies wirkt sich günstig auf die Verzerrungsleistung D und den Leistungsfaktor;, der Schal- ι? tung aus, die sich aus der Berechnung der Grundschwingung und des Effektivwertes des Netzstromes ergeben. In den einzelnen Steuerbereichen gilt für den Effektivwert der Grundschwingung:

30°<ff< 150°:/, = Ska. . _L R An

(3,T-2ö·)² + 2 l+(3/r-2ff) cos (la-—)+ sin (la-— ]\ L V 6 / V 6 /J

und für den Effektivwert des Gesamtstromes:

0°<a<30°:/, = -ψ-\ -ψ + ^j- cos 2 a

30°<a<90°:I, = J^fcfi. - 1 _L_ ["JLL „ - η _a + J^L + /Π" cos (2 a - arc tan
Λ ^l 4 /r L 6 2 V

6 /J

la-f

Eine Gegenüberstellung der Verzerrungsblindleistungen und der totalen Leistungsfaktoren mehrerer Stellvarianten zeigen die Fig. 12 und 13. Die mit α 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.

Fast über den gesamten Steuerbereich liefert der opulsige Steller nach Fig. 10 die günstigsten Werte (Kurve d). Die Tatsache, daß er in der Nähe der Vollsteuerung bereits eine Netzstromverzerrung (F i g. 12) aufweist und hier einen geringeren Leistungsfaktor (Fig. 13) besitzt als herkömmliche Steller, lallt kaum ins Gewicht, Bei geregelter Betriebsweise wird ein Steller infolge der notwendigen Reserven in diesem Bereich der theoretischen Vollaussteuerung ohnehin kaum betrieben.

Durch Parallelschalten 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.

Die Strombeanspruchung der Ventile ist natürlich auch hier geringer als bei herkömmlichen Stellern, die den gesamten Laststrom führen müssen.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung mit einem Leistungssteiler aus mindestens zwei steuerbaren Halbleiterventilen zur Kopplung einer ein- oder mehrphasigen Last mit einer oder mehreren Spannungsquellen, wobei der LeistungEsteller den Energiefiuß der Last steuert, die Last in Teilwiderstände aufgeteilt ist bzw. aus solchen besteht und alle Teilwiderstände mit ihren ersten Anschlüssen an einem gemeinsamen Verbindungspunkt liegen sowie mit ihren zweiten Anschlüssen unterschiedlichen Netzzuleitungen bzw. -phasen zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daßjeder Teilwiderstand (R, R') parallel zu einem steuerbaren Halbleiterventil (T1, 7" 2, T3...) liegt und alle Teilwiderstände (R, R') mit ihren zweiten Anschlüssen (2,4,5...) direkt mit den unterschiedlichen Netzzuleitungen bzw. -phasen verbunden sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 für einphasige Lasten, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Halbleiterventile (7"1, Tl) mit gleichnamigen Elektroden am gemeinsamen Verbindungspunkt (13) liegen.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 für mehrphasige Lasten, dadurch gekennzeichnet, daß an die Netzphasen zwei Gruppen von jeweils in ihrer Zahl der Phasenzahl entsprechenden Teilwiderständen (2 R, 2 R') angeschlossen sind und daß die der ersten Gruppe (2R) zugeordneten steuerbaren Halbleiterventile (7"I bis 7"3) mit gleichem Anschluß an einem ersten Verbindungspunkt (13) liegen und die steuerbaren Halbiertet ventile (T 4 bis T 6) der zweiten Gruppe mit umgekehrter Ventilrichtung an einem zweiten Verbindungspunkt (13') liegen.