DE2748927A1 - Verfahren und anordnung zur regelung der einem verbraucher zugefuehrten elektrischen leistung mittels steuerbarer halbleiterelemente - Google Patents

Description

Verfahren und Anordnung zur Regelung der einem Verbraucher zugeführten elektrischen Leistung mittels steuerbarer Halbleiterelemente

Es wird die Priorität der französischen Patentanmeldung Nr. 76 33.808 vom 3.II.1976 beansprucht.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Anordnung zur Regelung der einem Verbraucher zugeführten elektrischen Leistung in Abhängigkeit von einem Regelsignal mittels steuerbarer Halbleiterelemente, bei dem der dem Verbraucher zugeführte Wechselstrom einerseits durch Wellenzüge gesteuert wird, in dem der Wechselstrom in aufeinanderfolgende Zyklen mit je einer festen Anzahl von Perioden unterteilt wird und die Regelung durch Einschalten einer unterschiedlichen Anzahl aufeinanderfolgender Perioden und Sperren der restlichen Perioden innerhalb eines Jeden Zyklus erfolgt, und andererseits durch den Phasenwinkel mittels Phasenanschnitt gesteuert wird.

Bei der Regelung im Wechselstromkreis sind zwei Arten der Steuerung bekannt, die im folgenden kurz als Regelung durch Wellenzüge

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und durch Phasenwinkel bezeichnet werden.

Bei der Steuerung durch Wellenzüge sind die Halbleiterelemente während einer ersten Anzahl aufeinanderfolgender Perioden leitend und während einer zweiten Anzahl von Perioden nichtleitend. Durch Einwirken auf diese beiden Anzahlen kann die abgegebene Wirkleistung zwischen einem sehr kleinen Wert und einem Maximum bei ununterbrochener Speisung variiert werden. Diese Art der Steuerung ist sehr einfach, denn sie beeinflußt den Leistungsfaktor nicht. Wenn das öffnen und Schließen des Stromkreises genau beim Nulldurchgang des Stromes erfolgt, treten weder unerwünschte Oberwellen auf noch werden Störwellen emittiert. Dagegen ist ihre Staffelung insofern begrenzt, als sie in ganzen Perioden d.h. in Stufen erfolgt. Theoretisch könnte man die Abstufung zwar verbessern, indem man den Zyklus Leitung/Nichtleitung auf eine sehr große Anzahl von Perioden ausdehnt. Jedoch wird mit der Vergrößerung dieser Anzahl die Dauer des Zyklus so vergrößert, daß sie mit der Trägheit der Last nicht mehr vereinbar ist. Man kann nicht daran denken, einen Motor mittlerer Leistung, der eine Last mit geringem Trägheitsmoment antreibt, zu speisen, indem man ihn in voneinander getrennten Perioden von Io Sekunden speist, was für die Staffelung der Regelung am 5o-Hz-Netz nur eine Auflösung von l/5oo ermöglicht.

Bei der Steuerung durch den Phasenwinkel macht man bei jeder Halbperiode das Element nur mit einer gewissen Verzögerung nach dem Nulldurchgang, der die vorhergehende Periode beendet, leitend. Auf diese Weise kann man eine völlig stufenlose Regelung erhalten; es bringt jedoch das Schließen des Stromkreises nach dem Nulldurchgang eine Deformation der Sinuswelle mit sich, die zum Auftreten von Oberwellen und zur Erzeugung von beträchtlichen Störwellen führt. Auch wird der Leistungsfaktor herabgesetzt, und zwar umso stärker, Je kürzer die Zeit der Stromleitung, bezogen auf die Halbperiode, ist. Aufgabe der Erfindung ist, die beiden bekannten Arten der Steuerung durch Wellenzüge und über den Phasenwinkel so miteinander zu kombinleren, daß ihre Jeweiligen Mängel praktisch beseitigt werden.

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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem Verfahren zur Regelung der einem Verbraucher zugeführten elektrischen Leistung in Abhängigkeit von einem Regelsignal mittels steuerbarer Halbleiterelemente, bei dem der dem Verbraucher zugeführte Wechselstrom einerseits durch Wellenzüge und andererseits durch den Phasenwinkel gesteuert wird, dadurch gelöst, daß die Grobregelung in Stufen durch Wellenzüge (Anzahl der Durchlaßperioden) und die Peinregelung durch den Phasenwinkel vorgesehen wird, wobei die relative Gesamtgröße der Regelung durch den Phasenwinkel eine Periode im Zyklus nicht übersteigt. Hierbei wird die Anzahl der Durchlaßperloden des Zyklus durch diejenige Regelstufe bestimmt, die unmittelbar über dem dem Regelsignal entsprechenden Wert liegt. Die Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung, erfolgt entweder dadurch, daß die Phasenanschnittsteuerung lediglich an der letzten dieser Perioden erfolgt oder daß die Phasenanschnittsteuerung an allen Durchlaßperioden erfolgt .

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird für jeden Zyklus ein Stufensignal erzeugt, da£> die aufeinanderfolgenden Perloden des Zyklus darstellt, während gleichzeitig dieses Signal mit dem Regelsignal verglichen wird und der Durchlaß gesperrt wird, sobald das Stufensignal das Regelsignal übersteigt, und außerdem wird die Differenz zwischen dem Regelsignal und dem Stufensignal ermittelt, und wenn diese geringer ist als die Höhe einer Stufe, wird durch diese Differenz eine Vorrichtung zur Phasenanschnittsteuerung der vorliegenden letzten Duchlaßperiode des Zyklus aktiviert.

Nach einem anderen Ablauf des Verfahrens ist vorgesehen, daß für Jeden Zyklus ein Stufensignal erzeugt wird, das die aufeinanderfolgenden Perioden des Zyklus darstellt, das«dieses Signal mit dem Regelsignal verglichen und der Durchlaß gesperrt wirdj sobald das Stufensignal das Regelsignal übersteigt, während außerdem die Anzahl der Durchlaßperloden gespeichert und über eine Programmschaltung einem Verstärker zur Steuerung des Verstärkungsfaktors zugeführt wird, und daß das Regelsignal von diesem Verstärker entsprechend verstärkt, während des folgenden Zyklus zur Phasenan-

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.J.

Schnittsteuerung sämtlicher Durchlaßperioden dieses Zyklus verwendet wird.

Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung, ist gekennzeichnet durch einen Binärzähler für die Netzfrequenz mit nachgeschalteter Summierschaltung zur Erzeugung eines periodischen Stufensignals, dessen Stufenanzahl der Periodenzahl eines Zyklus und dessen maximale Spannung der maximalen Spannung des Regelsignals entspricht, einen Differenzialverstärker, dessen Eingang das Regelsignal und dessen anderem Eingang das Stufensignal zugeführt ist und dessen Ausgang ein Regelsignal zur Steuerung des Phasenanschnitts einer an sich bekannten Steuerschaltung in der Anschlußleitung des Verbrauchers liefert.

Eine abgewandelte Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist gekennzeichnet durch einen Binärzähler für die Netzfrequenz mit nachgeschalteter Summierschaltung zur Erzeugung eines periodischen Stufensignals, dessen Stufenzahl der Periodenzahl eines Zyklus und dessen maximale Spannung der maximalen Spannung des Regelsignals entspricht, einen Komparator an dessen einen Eingang das Regelsignal und an dessen anderen Eingang der Ausgang der Summierschaltung angeschlossen ist, während der Ausgang des !Comparators einerseits mit einem Sperreingang einer an sich bekannten Steuerschaltung in der Anschlußleitung des Verbrauchers und andererseits mit einem an den Binärzähler angeschlossenen Speicher verbunden ist, um bei Gleichheit des Potentials des Regelsignals mit dem des Stufensignals den gerade vorliegenden Wert des Zählers im Speicher zu speichern und einen Verstärker für das Regelsignal, an dessen Eingang zur Regelung des Verstärkungsfaktors der Speicher über eine Programmschaltung angeschlossen 1st und dessen Ausgang mit dem Eingang für die Steuerung des Phasenanschnitts der bekannten Steuerschaltung verbunden ist.

Das Verfahren und zwei Ausgestaltungen dieses Verfahrens sowie Anordnungen zur Durchführung des Verfahrens werden nunmehr anhand der beigefügten Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

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Pig. 1 zeigt ein Stufensignal, das bei der praktischen Anwendung der Erfindung zu berücksichtigen ist,

Fig. 2 stellt einen Zyklus von zehn Perioden dar, innerhalb

dessen der leitende Zustand fünf Sinuswellen entspricht, von denen vier vollständig sind und die fünfte beschnitten ist, um die gewünschte Feinheit der Regelung zu erhalten,

Fig. 3 ist eine ähnliche Ansicht wie die von Fig. 2, wobei

jedoch hier die Feinheit der Regelung dadurch erhalten wird, daß man alle Sinuswellen während des Bestehens des leitenden Zustande beschneidet,

Fig. 4 ist ein Schaubild für die Durchlaßwinkel der Jeweils letzten Sinuswelle für eine Folge von Sinuswellen, wenn ihre Anzahl von 1 nach Io geht, und zwar als Funktion des Eingangssignal im System nach Fig. 2,

Fig. 5 ist ein Schaubild für die Durchlaßwinkel aller Sinuswellen des Systems von Fig. 3, wenn ihre Anzahl von 1 nach Io geht, und zwar als Funktion des Eingangssignals,

Fig. 6 ist das Blockschaltbild eines bekannten Lelstungssteuerungs-Moduls,

Fig. 7 stellt in der gleichen Weise die Gesamtheit von Schaltungen dar, die man bei einer Ausführungsform der Erfindung mit dem Modul von Fig. 6 verbindet, um die Regelung gemäß Fig. 2 und Fig. 4 zu realisieren,

Fig. 8 zeigt übereinander eine Folge von Kurven, die die Arbeitswelse des Schaltbildes von Fig. 7 erläutern,

Fig. 9 und Fig. Io sind ähnliche Ansichten wie Fig. 7 und Fig. 8, entsprechen jedoch der Ausführungsform gemäß Fig. 3 und Fig. 5.

Um den Grundgedanken zu erläutern, werden angenommen, daß die für den Wellenzug vorgesehene maximale Länge, d.h. der Regelungszyklus, gleich Io Perioden ist. Bei dieser Länge werden die aufeinanderfolgenden Züge durch keinerlei Zeiten nichtleitenden Zustandes voneinander getrennt, und auch die der Last zugeführte Leistung ist ebenfalls maximal.

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Außerdem soll angenommen werden, daß die Regelung der Leistung in Abhängigkeit von einem Regelsignal oder Eingangssignal Ve erfolgt, dessen Spannung beispielsweise zwischen 0 und Io Volt variieren kann.

Es dürfte ohne weiteres klar sein, daß, wenn bei einem derartigen Beispiel das Eingangssignal stufenweise von O auf Io Volt ansteigt, die Steuerung durch Wellenzüge Durchlaßzeiten mit aufeinanderfolgenden Perioden mit Stufen von O bis Io vollständige Perioden liefert. Die Abstufung einer solchen Regelung ist offensichtlich recht schlecht, da sie einer Auflösung von l/lo entspricht. Um eine solche Steuerung zu realisieren, erzeugt man in bekannter Weise ein Stufen- oder Schrittsignal S (Fig. 1), das sich zeitlich über Io Perioden T des Wechselstromes erstreckt, wobei jeder Schritt eine Höhe von 1 Volt umfaßt. Dieses Signal S vergleicht man laufend mit der Spannung Ve und stets dann, wenn das Stufensignal S beim Aufsteigen oder beim Absteigen die Spannung Ve kreuzt, wird ein Signal erzeugt, das die Länge der aufeinanderfolgenden Wellenzüge um eine Periode verlängert oder verkürzt, d.h. die Dauer der Durchlaßzeit (wobei gleichzeitig die Dauer der Sperrzeit entsprechend verkürzt oder verlängert wird). Aber im Unterschied zum bisherigen Verfahren sieht man jedesmal einen Schritt mehr vor und setzt die Phasenwinkelsteuerung in Tätigkeit, damit die schließlich erhaltene Regelung genau der Spannung Ve entspricht. So beträgt in Fig. 1 die Spannung Ve 4,4 Volt, was bei einer herkömmlichen Wellenzugsteuerung 4 Durchlaßschritten oder -perioden entsprechen würde. Erfindungsgemäß sieht man fünf Perioden vor und verändert den Phasenwinkel, um die Durchlaßzeit in einem Umfang zu vermindern, der der Differenz von o,4 Volt zwischen dem Niveau von Ve und dem der fünften Stufe entspricht. Praktisch gesehen leitet man von der in einem geeigneten Komparator gemessenen Differenz o,4 Volt ein Komplementärsignal ab, das im Phasenwinkel entweder auf die letzte (fünfte) Periode oder auf sämtliche fünf Perioden des Zuges einwirkt, um eine Verkürzung der Durchlaßzeit zu bestimmen, die 0,4/Io der Maximalzeit von Io Perjoden, damit o,4 Periode, entspricht.

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Pig. 2 und Pig. 3 zeigen die Auswirkungen der endgültigen Regelung in einem bzw. im anderen Fall, und man sieht, daß in beiden für eine sich zwischen der vierten Und der fünften Stufen haltende Spannung Ve fünf aufeinanderfolgende Durchlaßperioden Tl bis T5 vorgesehen sind, während die restlichen Perioden T6 bis TIo Sperrzeiten entsprechen. Würde man sich nun an die Wellenzugsteuerung halten, so entspräche die erhaltene Regelung einer Eingangsspannung von 5 Volt, so daß der Fehler"Ό,6 Volt beträgt. Um ihn zu kompensieren, verändert man gemäß Fig. 2 den Phasenwinkel der letzten Periode T5, d.h., man beschneidet sie, Indem man den Stromkreis erst eine gewisse Zeit nach dem Nulldurchgang bei 0° und l8o° der Perlode T5 schließt. Dagegen beschneidet man nach Fig. 3 auf die gleiche Weise sämtliche ftorf Perioden Ti bis T5.

Es dürfte klar sein, daß im ersten Fall die letzte Periode T5 sehr stark beschnitten wird, und daraus folgt, daß es bei ihr zu einer merklichen Emission von Störwellen kommt, daß der Leistungsfaktor recht niedrig ist und daß relativ intensive Oberwellen erzeugt werden. Im zweiten Fall werden alle Perioden Tl bis T5 beschnitten, aber jeweils sehr wenig, da sich der zu kompensierende Fehler von o,6 Volt gleichmäßig auf sie verteilt, so daß es auf o,12 Volt für jede hinausläuft. Damit bleiben die Störwellen gering, und der Leistungsfaktor wird durch eine so wenig ausgeprägte Deformation nur geringfügig beeinträchtigt. Ebenso ist die Erzeugung unerwünschter Oberwellen stark eingeschränkt. Unabhängig vom benutzten Verfahren gelangt man schließlich zu einer in jeder Hinsicht außerordentlich zufriedenstellenden Regelung.

Wie man sieht, umfassen beide Systeme bei sehr niedrigen Leistungen (Ve = 1 Volt) nur eine einzige Durchlaß-Sinuswelle, die als Funktion der Regelung mehr oder weniger stark beschnitten ist. In diesem Fall sind beide Systeme identisch. Von diesem Augenblick ab und in dem Maße, in dem die verlangte Leistung zunimmt, unterscheiden sie sich jedoch. Hierzu vergleiche man die Schaubilder Fig. 4 und Fig. 5.

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In Fig. 4, die dem ersten System entspricht, sind die Veränderungen des Durchlaßwinkel für die letzte der Perioden Tl bis TIo, die sich Jedesmal in Wirkung befindet, in Abhängigkeit vom Regelsignal Ve dargestellt. Hat dieses Signal den Wert 4,4 Volt, so umfaßt der Zug fünf Perioden Tl bis T5. Die ersten vier, Tl bis T4, sind vollständig (Fig. 2), während T5 beschnitten ist.

Als Funktion der Änderung von Ve geht der Durchlaßwinkel von 0° für Ve = 4 Volt bis 18O° für Ve = 5 Volt. Man sieht, daß beim Wert Ve = 4,4 Volt (Punkt A) dieser Winkel (Punkt B) nur wenig kleiner als 75° ist. Es wird jedoch immer nur eine Sinuswelle der eingeschalteten Perioden innerhalb eines Zyklus beeinflußt.

Fig. 5 zeigt für das zweite System die Veränderung des Durchlaßwinkels aller Sinuswellen, die für die verschiedenen Werte von Ve in Tätigkeit sind. Man sieht, daß für die niedrigen Werte dieses Signals bis 1 Volt einzig und allein die Sinuswelle Tl im Spiel ist, deren Durchlaßwinkel sich dann von 0° zu l8o° ändert. Wenn Ve 1 Volt überschreitet, treten Tl und T2 nacheinander in Aktion, wobei sich der Durchlaßwinkel für beide von 90° bis l80° ändert. Liegt Ve zwischen 2 und 3 Volt, so erstreckt sich die Durchlaßzeit auf Tl, T2 und T3, und der Winkel ändert sich von 120° bis l80° , usw. Für Ve = 4,4 Volt, umfaßt der Wellenzug fünf Sinuswellen Tl bis T5 (Fig. 3), wie im Falle von Fig. 4, wobei jedoch hier sämtliche fünf Sinuswellen beschnitten sind (Punkt A·); ihr Durchlaßwinkel (Punkt B') ist ein wenig größer als 150°, was einer nur geringen Deformation entspricht. In dieser Hinsicht ist übrigens festzustellen, daß in den gängigsten Fällen, wo von wenigen Ausnahmefällen abgesehen die Leistung zwischen 5o % und 9o % ihres Höchstwertes geregelt werden muß, sich die Mindestleitung zwischen 5/(5 + 1) = 83 % und 9/(9 + 1) = 9o % hält, was einem Leistungsfaktor oberhalb von o,95 entspricht.

Weiterhin ist aus Fig. 5 noch folgendes zu entnehmen: - Sämtliche Geraden, auf denen die einzelnen Abschnitte des Schau-

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J³.

bildes liegen (die den aufeinanderfolgenden Änderungen des Durchlaßwinkels mit zunehmender Zahl der Sinuswellen des Zuges entsprechen), gehen durch das Koordinatenachsenzentrum, wie dies für den Abschnitt dargestellt ist, der der Zone 4 bis 5 Volt entspricht, - die unteren Punkte des Schaubildes liegen auf einer Kurve R mit hyperbelförmigem Verlauf, die als Asymptote die 180° entsprechende Horizontale hat-.

Es dürfte klar sein, daß sich das beschriebene Regelungsverfahren auf vielerlei Weise durchführen läßt, indem man verschiedene an sich bekannte, geeignete Schaltungen benutzt. Es soll Jedoch nachstehend eine besondere Ausführungsform beschrieben werden, die den Vorzug hat, daß sie maximalen Nutzen aus den Schaltungseinheiten oder Moduln zieht, die derzeit für Regelanlagen mit Steuerung durch Wellenzüge oder durch den Phasenwinkel Anwendung finden.

Es soll nun kurz der Modultyp (PIg. 6) in Erinnerung gebracht werden, der im allgemeinen benutzt wird. Er umfaßt einen Modulator 1, der bei der Phasenwinkelsteuerung bei 2 direkt ein Analogsignal Ve empfängt, im Fall der Wellenzugsteuerung aber über ein Synchronsperr-Tor 4 (an das bei 5 ein logisches Signal Ve angelegt wird) indirekt bei 3 dieses logische Signal empfängt. In den Modulator 1 und das Tor 4 werden darüberhinaus bei 6 bzw. 7 das Signal eines Demodulators 8 eingespeist, der seinerseits bei 9 ein Synchronieier- »Agnal empfängt, das ihm den Zeitpunkt angibt, an dem die Sinuswelle des Speisestromes durch Null geht. Der Ausgang Io des Modulators gelangt an eine Schaltung 11, die für die Trennung zwischen den vor- und den nachgeschalteten Stromkreisen sorgt. Der Ausgang 12 der Schaltung 11 ist mit einer Weichenschaltung 13 verbunden, die das Regelsignal über zwei Ausgänge 14 und 15 abwechselnd zum einen und zum anderen von zwei Thyristoren 17 und 16 leitet, die In Parallelschaltung im Leiter 18 liegen, der die zu regelnde elektrische Leistung transportiert. Die Arbeitsweise eines solchen Moduls braucht hier nicht eingehend beschrieben %\x werden, da sie dem Fachmann gut bekannt ist.

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Fig. 7 zeigt, wie man mit Hilfe eines solchen Moduls die erfindungsgemäße Steuerung unter Benutzung des ersten Systems erreichen kann, bei dem die Änderung des Phasenwinkels auf die letzte Sinuswelle der Durchlaßperiode (Fig. 2) beschränkt ist. Die verwendete Vorrichtung umfaßt eine Amplitudenbegrenzerschaltung 19, an die man bei 2o die Sinus-Speisespannung anlegt. Diese Schaltung kann aus einem Transformator und einer geeigneten Anordnung von Zenerdioden bestehen, um an ihrem Ausgang 21 ein mehr oder weniger trapezförmiges Signal mit konstanter Amplitude abzugeben. Dieses Signal wird an eine Impulsformerschaltung 22, z.B. eine Flip-Flop-Schaltung, gelegt, die daraus ein Rechtecksignal formt.

Der Ausgang 23 der Schaltung 22 legt das Rechtecksignal an einen Zähler 24, z.B. einen Binärzähler, dessen Ausgänge 25 an eine Summierschaltung 26 gelegt werden. Die letztere gibt dann an ihrem Ausgang 27 ein Stufensignal ab, das an einen der Eingänge eines Differentialverstärkers 28 angelegt wird, in dessen anderen Eingang durch den Leiter 29 das analoge Regelsignal Ve eingegeben wird und dessen Ausgang 3o mit dem Eingang "Phasenwinkel" des Moduls von Fig. 6 verbunden ist. In dem als Beispiel benutzten Fall eines sich über zehn Perioden erstreckenden Zyklus (Flg. 2) kann der Binärzähler 24 ein Vier-Bit-Zähler sein (der also bis zur Dezimalzahl 15 zähöen kann). Die Summierschaltung 26 kann beliebig ausgeführt sein, wie z.B. mit einem Digital/Analog-Wandler. Wichtig ist lediglich, daß die Summierschaltung und der Zähler bei Jedem zehnten von der Schaltung 22 kommenden Rechteckimpuls (d.h. wenn der Zähler bei der Binärzahl lool angekommen ist) wieder auf Null zurückgehen, wobei das Ganze so eingerichtet ist, daß am Ausgang 27 eine Stufenfolge erhalten wird, wie sie bei II in Fig. 8 dargestellt ist. Es dürfte im übrigen klar sein, daß man bei 24 auch einen Dezimalzähler anordnen könnte, der von sich aus nach der Ziffer Neun für die Rückstellung auf Null sorgen würde. Schließlich hat der Differentialverstärker 28 einen Verstärkungsfaktor, der gleich der Anzahl Perioden des Zyklus ist, im vorliegenden Fall also Io, und andererseits ist sein Ausgang auf dieselbe Anzahl Einheiten, z.B. auf Io Volt, begrenzt. _ H _

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Nun soll anhand von Fig. 8 die Arbeitsweise erläutert werden. In dieser Figur stellt der Teil I die Sinusspannung während des Arbeitszyklus von zehn Perioden (loT) dar. Der Teil II entspricht dem am Ausgang von 26 auftretenden Stufensignal (Fig. 7), d.h. der Kurve S von Flg. 1, jedoch bei größerem Maßstab in horizontaler Richtung. Die Horizontale Ve stellt wieder eine Regelspannung von ¹J,¹* Volt dar. Der Teil III entspricht dem Ausgang 3o des Differentialverstärkers 28. So lange nun die Differenz zwischen der Stufenspannung S und der Spannung Ve größer als 1 Volt ist, gibt dieser Verstärker mit dem Verstärkungsfaktor Io sein Maximum von Io Volt ab, das er nicht überschreiten kann (siehe die Horizontale Pl, Teil III, Fig. 8) und das einen vollen Durchlaß im Phasenwinkel sicherstellt. Damit erhält der Modulator 1, Fig. 6, die maximale Spannung, und es wird keine Sinuswelle beschnitten (siehe Teil V, Fig. 8, der den von der Last über den Leiter 18 von Fig. 6 empfangenen Strom darstellt). Bei der vierten Stufe hingegen beträgt die vorerwähnte Differenz nur o,*J Volt und folglich sinkt die Ausgangsspannung von 28 auf ο,Μ χ Io ^s M Volt (Horizontale P2), so daß der Modulator 1 eingreift und die letzte Sinuswelle demgemäß beschneidet. Bei der folgenden Stufe kehrt sich die Differenz um,und am Ausgang von 28 erscheint keine Spannung mehr (oder vielmehr eine negative. Spannung, die man auf dem üblichen Wege eliminiert). Infolgedessen schneidet der Modulator die nachfolgenden Sinuswellen vollständig ab, d.h. er unterdrückt sie. Dieselben Vorgänge wiederholen sich bei den folgenden Zyklen. Teil V, Flg. 8, zeigt das Ergebnis der Regelung. Es sind dort bei Nl vier aufeinanderfolgende, vollständige Sinuswellen und bei N2 eine sehr stark beschnittene fünfte dargestellt (Durchlaßwinkel B, Fig. 4).

Zur Erhöhung der Betriebssicherheit kann im Blockschältbild Fig. eine zusätzliche Vorrichtung vorgesehen werden, die den Modulator 1 von Flg. 6 nach der Dauer des Wellenzugeβ (d.h. beim oben beschriebenen Beispiel nach fünf Perioden) zwangsläufig sperrt. Diese Vorrichtung kann aus einer Koeparatorschaltung 31 (Flip-Flop, Differentialverstärker oder dergleichen) bestehen, die dieselben Eingänge wie der Verstärker 28 aufweist und an ihrem Ausgang 32 ein

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Sperrsignal abzugeben vermag, das man an das Steuertor k legt. Das vom Komparator 31 abgegebene Signal kann auch ein Schaltsignal sein, das für die Ansteuerung des Modulators erforderlich ist. Ein derartiges Schaltsignal ist bei M, Teil IV, Fig. 8, dargestellt.

Fig. 9 zeigt, wie man sich des Moduls von Fig. 6 bedient, wenn man das zweite erfindungsgemäße System anzuwenden wünscht, d.h., wenn man die Regelung dadurch herbeiführt, daß man nicht nur die letzte, sondern alle Sinuswellen des Wellenzuges beschneidet. Auch dieses Blockschaltbild enthält die Schaltungen 19 und 22, den Zähler 2k, die Summierschaltung 26 sowie die Komparatorschaltung 31, die hier unbedingt erforderlich ist, während sie in Fig. 7 nur wahlfrei war. Darüberhinaus ist eine Durchlaßwinkel-Korrekturschaltung vorgesehen, die ein allen Sinuswellen gemeinsames Phasenwinkelsignal zu erzeugen vermag. Diese Korrekturschaltung besteht aus einer Schaltung 33, die die Zahl speichert, die im Zähler 2k erscheint, wenn durch die Komparatorschaltung 31 ein Sperrsignal an ihren entsprechenden Eingang 3k gelegt wird (oder durch Abwesenheit dieses Signals, wenn das letztere öffnend und nicht sperrend wirkt). Der Ausgang 35 der Schaltung 33 wird zu einer Programmschaltung 36 geschickt, die daraus ein Signal herleitet, das sie ihrerseits über ihren Ausgang 37 zum Verstärkungsfa—ktor-Steuereingang eines Verstärkers 38 schickt, der hier den Differentialverstärker 28 von Fig. 7 ersetzt. Der Eingang 39 dieses Verstärkers 38 1st mit dem die Regelspannung Ve führenden Leiter verbunden, während sein Ausgang ko seinerseits mit dem Eingang 2 des Modulators 1 von Fig. 6 verbunden ist.

Fig. Io erläutert die Arbeitsweise. Hier sieht man bei I die Folge von Io Sinuswellen, die dem im Beispiel gewählten Zyklus loT entspricht sowie bei II die Stufenkurve S mit der in diesem Beispiel k,k Volt entsprechenden Horizontalen Ve. Der Teil III stellt das Öffnungssignal dar, das die Komparatorschaltung 31 so lange ab gibt, wie die Spannung S unter Ve liegt. Er ist mit dem Teil IV, Flg. 8, identisch, mit dem einzigen Unterschied, daß er hier we-

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- .wesentlich ist, während im Schaltbild von Fig. 6 sein Eingreifen nur freibleibend war. Aus diesem Grunde hat man ihn in Fig. 10 ebenfalls mit M bezeichnet. Wie oben bereits auseinandergesetzt, sperrt dieses Signal den Modulator 1 nach der fünften Durchlaßperiode, so daß der schließlich erhaltene Wellenzug N nur fünf aufeinanderfolgende Sinuswellen umfaßt (Teil V, Fig. 10). Sonst hat die Schaltung 33 am Ende dieses Wellenzuges oder dieser Durchlaßdauer 5 Einheiten (binär 101) gespeichert und hat diese Information zur Schaltung 36 geschickt. Diese ist so programmiert, daß sie daraus die Steigung des schrägen Abschnitts L (Fig. 5) herleitet, die der Phasenwinkelregelung im Bereich der fünften Stufe entspricht. Sie schickt ein Verstärkungsfaktor-Steuersignal zum Verstärker 38, dank dessen der Ausgang 40 dieses Verstärkers an den Eingang 2 des Modulators 1 von Fig. 6 ein Signal K legt (Fig. 10, Teil IV), das den Durchlaßwinkel sämtlicher Sinuswellen des Zuges des nachfolgenden Zyklus zum Wert B' von Fig. 5 verschiebt. Diese Verzögerung der Regelung um einen Zyklus ist praktisch ohne Bedeutung.

Hinsichtlich der Phasenwinkelregelung sollte man daran denken, daß die Leistung, die sie zu erhalten ermöglicht, keine lineare Funktion des Durchlaßwinkels ist, so daß unabhängig davon, ob es sich um das erste oder um das zweite erfindungsgemäße System handelt, bei der oben beschriebenen Steuerung die erhaltene Regelung der an den Regler gelegten Spannung Ve nicht linear entspricht.

Dabei ist jedoch folgendes zu beachten:

1.) In der Praxis ist es oft möglich, die geregelte Leistung mit derjenigen zu vergleichen, die man zu erhalten gedenkt, die Differenz zu ermitteln und daraus eine Hilfsregelspannung abzuleiten, die eingreifen lassen kann, um den Linearitätsfehler zum Verschwinden zu bringen. Zudem ist Ve recht häufig bereits das Ergebnis des Vergleiches zwischen dem wirklichen Wert der Leistung und dem Wert, auf den man sich festgelegt hat, so daß die vorerwähnte Korrektur von selbst

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erfolgt.

2.) Bei dem System, bei dem die letzte Sinuswelle beschnitten wird, ist der Linearitätsfehler nicht nachweisbar, wenn vier oder mehr Durchlaß-Sinuswellen vorliegen, so daß man diesen Fehler meist vernachläßigen kann.

3.) Bei dem System, bei dem alle Sinuswellen beschnitten werden, kann man die Schaltung 36 stets so programmieren, daß sie die Nicht-Linearität in Rechnung stellt. An Hand von Fig. 5 erkennt man, daß diese Korrektur auf zwei Punkte hinausläuft: - Die schrägen Abschnitte wie etwa L sind nicht mehr genau geradlinig, sondern sinusartig verformt, wobei die Deformation jedoch so gering ist, daß man sie praktisch vernachlässigen kann, und

-selbst wenn man davon ausgeht, daß die fraglichen Abschnitte genau geradlinig sind, gehen sie nicht mehr durch den Ursprung der Koordinaten, sondern durch Punkte, die mit zunehmenden Abszissenwerten auf der X-Achse liegen, woraus folgt, daß die Kurve R von Fig. 5 ein wenig nach unten verschoben ist.

Man kann auf diese Weise zu einer Regelung gelangen, bei der c!ie der Last zugeführte Leistung eine lineare Funktion des Eingangssignals ist.

Es versteht sich im übrigen, daß die vorstehende Beschreibung nur als Beispiel zu sehen ist und in keiner Weise den Schutzumfang der Erfindmgbegrenzt, den man auch dann nicht verläßt, wenn man die beschriebenen Ausführungsdetails durch beliebige andere, gleichwertige Einzelheiten ersetzt. So dürfte klar sein, daß die Anzahl Perioden je Zyklus von Fall zu Fall verschieden sein kann. Insbesondere könnte sie z.B. 16 sein, um die automatische Nullrückstellung des Vier-Bit-BinärZählers 24 auszunutzen. Außerdem können die benutzten Schaltungen andere als die oben beschriebenen sein, jedoch solche, von denen man glaubt, daß die derzeit die

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günstigste Ausführungsform darstellen.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   / 1. Verfahren zur Regelung der einem Verbraucher zugeführten, V^/elektrisehen Leistung in Abhängigkeit von einem Regelsignal mittels steuerbarer Halbleiterelemente, bei dem der dem Verbraucher zugeführte Wechselstrom einerseits durch Wellenzüge gesteuert wird, in dem der Wechselstrom in aufeinanderfolgende Zyklen mit je einer festen Anzahl von Perioden unterteilt wird, und die Regelung durch Einschalten einer unterschiedlichen Anzahl aufeinanderfolgender Perioden und Sperren der restlichen Perioden innerhalb eines jeden Zyklus erfolgt, und andererseits durch den Phasenwinkel mittels Phasenanschnitt gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Grobregelung in Stufen durch Wellenzüge (Anzahl der Durchlaßperioden) und die Peinregelung durch den Phasenwinkel vorgesehen wird, wobei die relative Gesamtgröße der Regelung durch den Phasenwinkel eine Periode im Zyklus nicht übersteigt.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Durchlaßperioden des Zyklus durch diejenige Regelstufe bestimmt wird, die unmittelbar über dem dem Regelsignal entsprechenden Wert liegt, und daß die Phasenanschnittsteuerung lediglich an der letzten dieser Perioden erfolgt.

   3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Durchlaßperioden des Zyklus durch diejenige Regelstufe bestimmt wird, die unmittelbar über dem dem Regelsignal entsprechenden Wert liegt, und daß die Phasenanschnittsteuerung an allen Durchlaßperioden erfolgt.

   4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für

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   jeden Zyklus ein Stufensignal erzeugt wird, das die aufeinanderfolgenden Perioden des Zyklus darstellt, daß dieses Signal mit dem Regelsignal verglichen wird und der Durchlaß gesperrt wird, sobald das Stufensignal das Hegelsignal übersteigt, während außerdem die Differenz zwischen dem Hegelsignal und dem Stufensignal ermittelt wird, und wenn diese geringer ist als die Höhe einer Stufe, eine Vorrichtung zur Phasenanschnittsteuerung der dann vorliegenden letzten Durchlaßperiode des Zyklus aktiviert wird.

   5· Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Differenz zwischen Regelsignal und Stufensignal, die größer ist als die Höhe einer Stufe des Stufensignals, die Durchlaßperioden ohne Phasenanschnitt durchgelassen werden.

   6· Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5» dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Stufensignal gleich oder größer als das Regelsignal der Durchlaß weiterer Perioden des Zyklus gesperrt wird.

   7· Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für Jeden Zyklus ein Stufensignal erzeugt wird, das die aufeinanderfolgenden Perioden darstellt, daß dieses Signal mit dem Hegelsignal verglichen und der Durchlaß gesperrt wird, sobald das Stufensignal das flügelsignal übersteigt, während außerdem die Anzahl der Durchlaßperioden gespeichert und über eine Programmschaltung einem Verstärker zur Steuerung des Verstärkungsfaktors zugeführt wird, und daß das Hegelsignal von diesem Verstärker entsprechend verstärkt^ während des folgenden Zyklus zur Phasenanschnittsteuerung sämtlicher Durchlaßperioden dieses Zyklus verwendet wird.

   8. Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß durch die Programmschaltung die Nicht-Linearität zwischen dem Durchlaßphasenwinkel der verschiedenen Perioden und der diesem Winkel entsprechenden Leistung kompensiert wird.

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   9. Anordnung sur Durchführung des Verfahrene nach den Ansprüchen 1,2,4 bis 6, gekennzeichnet durch einen Binärzähler (24) für die Netzfrequenz Bit nachgeschalteter Summierschaltung (26) sur Erzeugung eines periodischen Stufensignals, dessen Stufenansahl der Feriodensahl eines Zyklus und dessen maximale Spannung der maxiaalen Spannung des fiegelsignals entspricht, einen Differentlalveratärker (28), dessen einem Eingang das Kegelsignal und dessen anderem Eingang d>w Stufensignal zugeführt ist und dessen Ausgang (30) ein Begelsignal zur Steuerung des Phasenansehnltte einer an sich bekannten Steuerschaltung in der Ansehlufileitung des Verbrauchers liefert.

   10. Anordnung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Kooperatorschaltung (31), deren einem Eingang das fiegelsignal und deren anderen Eingang das Stufensignal zugeführt ist und deren Ausgang (32) mit einem Sperreingang (4) der an sich bekannten Steuerschaltung verbunden ist.

   11. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1» 2, 3, 7 und 8, gekennzeichnet durch einen Binärzähler (24) für die Hetzfrequenz mit nachgeschalteter Summiersohaltung (26) zur Erzeugung eines periodischen Stufensignale, dessen Stufenansahl der Periodenzahl eines Zyklus und dessen maximale Spamnang der maximalen Spannung des fiegelaignale entspricht, einen Komparator (31), an dessen einen Eingang das Begelsignal und dessen anderen Eingang der Ausgang der Summierschaltung (26) angeschlossen 1st, während der Ausgang (32) des Komperators einerseits mit einem Sperreingang (4) einer an sich bekannten Steuerschaltung in der Anechlußleitung des Verbrauchers und andererseits mit einem an den BinlrsShler (24) angeschlossenen Speieher (33) verbunden ist, um bei Gleichheit dee Potentials des Begelsignala mit dem de* Stufensignals den gerade vorliegenden Wert des Zählers (24) im Speicher (33) zu speiehern, und einen Verstärker (38) für das Begelsignal, an dessen Eingang zur Hege lung des Verstärkungsfaktors der Speicher (33) über eine Programmschaltung (36) angeschlossen ist und dessen Ausgang mit dem Eingang (2)_ ₄ _

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   für die Steuerung des Fhasenanschnitte der bekannten Steuerschaltung verbunden ist.

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