DE2855331C2

DE2855331C2 - Schaltungsanordnung zum Steuern oder Regeln von mehreren Verbrauchern nach dem Verfahren der Schwingungspaketsteuerung

Info

Publication number: DE2855331C2
Application number: DE2855331A
Authority: DE
Inventors: Horst Ing.(Grad.) Scholz; Heinz Ing.(grad.) 4788 Warstein Süsse
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1978-12-21
Filing date: 1978-12-21
Publication date: 1985-04-25
Also published as: FR2444969A1; DE2855331A1; FR2444969B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Steuern oder Regeln von mehreren Verbrauchern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Insbesondere Elektroheizgeräte werden mittels statischer Wechselstrom-Stellglieder nach dem Verfahren der Schwingungspaketsteuerung gesteuert oder geregelt. Hierzu wird auf die Druckschrift »Elektrizitätswirtschaft« Jg. 72, 1973, H. 3, S. 55—58, verwiesen. In der Regel werden mehrere Geräte gleichzeitig an einem Ortsnetz betrieben, wobei Laststöße im Netz verursacht werden, die zu Netzspannungseinbrüchen führen. Bei an dem Ortsnetz ebenfalls angeschlossenen Beleuchtungseinrichtungen treten dann unerwünschte Lichtstärkeschwankungen, das sogenannte Flickern, auf. In diesem Zusammenhang hat sich gezeigt, daß eine Störwirkung von mit hoher Taktfrequenz schaltenden Geräten nicht wesentlich von der eingestellten Leistung abhängt; mit wachsender Anzahl der Geräte nimmt die Flickerdosis weniger zu. Beim Taktbetrieb mit niedriger Frequenz hingegen bricht die Netzspannung etwa mit der Frequenz der einzelnen Geräte deutlich zusammen, soweit diese mit der gleichen Taktfrequenz betrieben werden.

Mit dem gleichen Problemkreis befaßt sich auch die Druckschrift »ETZ-A 98, 1977," H. 5, Seiten 353-358«. Es wird die Abhängigkeit der Flickerdosis von Anzahl, Typ und Leistung der Geräte sowie von einer mittleren Taktfrequenz untersucht, wobei ebenfalls zwischen Taktbetrieb bei hohen und bei niedrigen Taktfrequenzen unterschieden wird. Die Untersuchungen führen zu dem Ergebnis, daß bei Geräten eines bestimmten Typs eine möglichst niedrige mittlere Taktfrequenz anzuwenden ist. Damit wird die Schwingungspaketsteuerung, auch wenn die Anzahl der beteiligten Geräte nicht groß ist, auf einen bestimmten Taktfrequenzbereich beschränkt.

Die eingangs genannte Schaltungsanordnung ist aus »Funkschau (1968), H. 19, Seiten 589—590, bekannt. Diese Literaturstelle befaßt sich allgemein mit der Schwingungspaketsteuerung von Thyristoren üjd Triacs. In diesem Zusammenhang ist es auch bekannt, als Zeiteinheit oder Zeitbasis eine Sägezahnspannung dem eigentlichen Gleichspannungs-Steuersignal zu überlagern. Im übrigen beschäftigt sich diese Literaturstelle nicht mit Problemen, die auftreten, wenn mehrere Verf*raucher im Parallelbetrieb getaktet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zum Steuern oder Regeln von mehreren Verbrauchern verfügbar zu machen, um die Störwirkung (Flickerdosis) auf die Verbraucher möglichst gering zu halten, ohne auf niedrige Taktfrequenzen beschränkt zu sein.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Mit einer derartigen Einrichtung können die Arbeitsströme der einzelnes Stromkreise mittels der Wechselstrom-Stellglieder zeitlich jeweils so eingeschaltet werden, daß der Gesamtstrom, der einem gemeinsamen Netz entnommen wird, vorher bestimmt oder festgelegt werden kann. Dieses Arbeitsverfahren ist von Bedeutung für Geräte mit unterlagerter Leistungsregelung bei stark veränderlichen Verbraucherlasten, wo hohe Ströme während kurzer Einschaltzeiten auftreten. Ein gleichzeitiges Einschalten der Geräte wird verhindert. Ferner ergibt sich ein geringerer Effektivwert des Gesamtstroms der Verbraucher und damit eine geringere Anschlußleistung als bei gleichphasiger oder nichtsynchroner phasenverschobener Schwingungspaketsteuerung.

Das Wesen der Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung einer Einrichtung gemäß der Erfindung und

F i g. 2 Diagramme von Spannungen und Strömen zur Erläuterung der Wirkungsweise einer Schaltungsanordnung nach F i g. 1 für drei Verbraucher.

Bei der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 sind mehrere Verbraucherstromkreise 1, 2, ... η an einem gemeinsamen Wechselstromnetz N angeschlossen. Jeder Stromkreis enthält einen Wechselstrom-Steller 7TV, der jeweils einen Triac oder eine Gegenparallelschaltung zweier Thyirstoren mit einem zugeordneten Steuerungsteil S, die beide in einer als Geräte G bezeichneten Einheit zusammengefaßt sind. Die Verbrauchr sind mit ^bezeichnet. Den Steuerungsteilen S1,5 2,... Sn ist ein Impulsgenerator IG mit π Ausgängen gemeinsam zugeordnet.

Ein Taktgenerator TG liefert über η Ausgänge Taktimpulse mit einer Periodendauer T, die größer als eine Periode des Weehselstromnetzes Nist. Die Steuerungsteile S und der Impulsgenerator IG bilden eine Steuerungseinrichtung zur Schwingungspaketsteuerung mittels der statischen Wechselstrom-Stellglieder TW der Geräte G in den einzelnen Verbraucherstromkreisen 1, 2,... n.

In F i g. 1 sind die Bestandteile des Sieuerungsieiis S und des statischen Wechselstrom-Stellgliedes 7"W(Tri-

ac) des Geräts G1 ausführlich dargestellt Die Geräte G 2... Gn der übrigen Verbraucherstromkreise 2,... η sind durch Blöcke (gestrichelt) dargestellt und enthalten die gleichen Bestandteile in gleicher Anordnung wie das Gerät G 1. Das Steuerungsteil S1 enthält ein Netzwerk 11 mit zwei ohmschen Widerständen Ru, R'u und einen Zweig mit einem Kondensator Cu und einem Verstärker Vu als aktiver Integrator. Das Netzwerk 11 dient als Vergleicher für die Regelung der Leistung L 1 im Verbraucher Vl. Einem ersten Eingang El ist über den Widerstand R 11 eine Steuergröße U_s,\ als Sollgröße, einem zweiten Eingang ET. über den Widerstand R'u eine vom Verbraucher V1 rückgeführte Größe Ü1 als Istgröße zum Vergleich zugeführt, die mittels Gleichrichtung und Integration z. B. als Leistungs- oder als Effektivwertgröße bewertet sein kann. Am Ausgang des Netzwerks 11 nach dem Verstärker Kn liegt die Kondensatorspannung Uctu Die Steuergröße U_s,i und die Größe Ui sind Gleichspannungen und den Eingängen des Netzwerks gegenpolar zugeführt. Die eigentliche Steuergröße bzw. rückgeführte Größe sind entsprechend gegenpolare Gleichströme, nämlich der Ladsstrom und der Entladestrom des Kondensators Cn.

Werden die Verbraucherstromkreise lediglich gesteuert, so entfallen die beschriebenen Bestandteile des

Netzwerks 11,21, , und es wird im Steuerungsteil S1

die Steuergröße Usit aus einer von der Verbraucherspannung u 1 unabhängigen Quelle (gestrichelt) vorgegeben. Das Steuerungsteil Sl enthält ferner einen Komparator 12 mit zwei Eingängen und einem Ausgang. Dem Komparator 12 ist über einen der zwei Eingänge eine mit Taktfrequenz kippende Sägezahnspannung Us und über den zweiten Eingang ist die Kondensatorspannung Uc u des Netzwerks 11 bzw. die Steuergröße Ust ι bei reiner Steuerung zugeführt. Der Komparator 12 erzeugt am Ausgang einen rechteckförmigen Spannungsimpuls Uk ι mit Taktfrequenz. Dieser ist einem von zwei UND-Eingängen einer Synchronsteuerlogik 13 zugeführt, deren zweitem UND-Eingang Synchronimpulse jeweils bei einem Nulldurchgang der Wechselspannung u des Wechselstromnetzes N zugeführt sind. Die Synchronsteuerlogik 13 erzeugt am Ausgang wiederum rechteckförmige Steuerimpulse St 1, deren Vorderflanken mit den Nulldurchgängen des Wechselstromnetze? N zeitlich zusammenfallen. Diese Steuerimpulse sind über einen Impulsgeber 14 oder einen Impulsverstärker der Steuerelektrode des Triacs 7Wl zugeführt

Das Verhältnis (Taktverhältnis) der Einschaltzeit (Schließzeit) zur Taktzeit {Taktperiode) des Triacs TW1 ergibt sich im Steuerungsteil 51 durch die Überlagerung der Säfsezahnspannunn U, t und der dreieckförmigen Kondensatorspannung Uc u am Eingang des Komparators 12 (vgl. F J g. 2, Diagramme a). Bei reiner Steuerung der Verbrauchirstromkreise ergibt sich das Taktverhältnis des Triacs 7Wl bzw. weiterer Triacs TW2, TW3 durch Überlagerung der Sägezahnspannungen Ust, Us2, Us3 und der konstanten Steuergrößen Usit, Us,2, Ust3, die in Fig.2 gestrichelt angegeben sind. Durch die Sägezahnspannung U₅ 1 ist die Taktfrequenz und Taktperiode der Taktzeit T vorgegeben, Die Einschaltzeit Um entspricht der Entladezeit des Kondensators CIl, und die Ausschaltzeit t_aus entspricht seiner Ladezeit. Es läßt sich zeigen, daß die z. B. aus Gleichrichterwert t/1 bewertete rückgeführte Verbraucherspannung ο, sowie aUi„h die Steuergröße Us, \ proportional der Wirkleitung dec Tiit Sinusschwingungspaketen der Netzspannung ü im Tastverhältnis <_e,„/Tgetakteten Verbrauchers V1 ist

Damit ist eine Leistungsregelung des Verbrauchers Vl durch Veränderung des Taktverhältnisses durchführbar. Entsprechend den Diagrammen b) und c) in Fig.2 ist bei drei Verbraucherstromkreisen mit Hilfe der Netzwerke 21, 31, eine Leistungsregelung auch in den Verbraucherstromkreisen 2, 3 mit den Verbrauchern VI, V3 durchzuführen. Werden die aus Verbraucherspannungen u 1,... u3 rückgeführten Größen Ul,

ίο ... 03 als Strom- oder als Effektivwerte bewerten, so wird damit eine Verbraucherstrom- bzw. eine Effektivwerteregelung durch Veränderung des Taktverhältnisses bewirkt

Das Taktverhältnis wird mit der Schließzeit (Einschaltzeit der Verbraucherströme) verändert, da die Taktzeit Γ durch die Sägezahnspannungen Ust, Usi, Usi an den Eingängen der Komperatoren 12,22,32 fest vorgegeben wird. Taktverhältnis und Einschaltzeit f«n sind in den Diagrammen der F i g. 2, am zeitlichen Verlauf der rechteckförmigen Spannungsimpulse Uk ι des Komparators 12 zu erkennen. In de. Zeitpunkten h erreicht die zuvor ansteigende Kondensrtorspannung Ucu den Wert der kippenden Sägezahnspannung Ust, wodurch am Ausgang des Komperators 12 der rechteckförmige Spannungsimpuls Uk ι »eingeschaltet« wird. Der reebiackförmige Spannungsimpuls Uk ι ist eingeschaltet, bis in den Zeitpunkten t' die abfallende Kondensatorspannung Uc u die ansteigende Sägezahnspannung Ust erreicht. Dann wird der rechteckförmige Spannungsimpuls Uki »ausgeschaltet« und die Einschaltzeit ist beendet. Die Einschaltzeit f_e,v, ist durch den Verlauf der Kondensatorspannung Ucu bestimmt und die Einschaltzeitpunkte r* sind durch die Sägezahnspannung Us ι festgelegt, durch die die Taktfrequenz der Ein-Ausschaltfolge vorgegeben wird.

Bei den Komparatoren 22,32 der Steuerungsteile 52, S₃ für die Geräte G 2, G 3 sind die Einschaltzsitpunkte t_k der rechteckförmigen Ausgangsspannungen Uk 2, Uk 3 gegeneinander sowie auch gegenüber den Einschalyieitpunkten tk von Uk 1 um gleichlange Zeitabstände verschoben. Die Zeitabstände sind eine Taktperiode T geteilt durch die Anzahl der Geräte, im vorliegenden Fall drei, als 773.
Wie in F i g. 2 dargestellt, folgen die Kippzeitpunkte tk der Sägezahnspannungen ί/52 und Usi nacheinander in gleich langen Zeitabständen 773. Alle Sägezahnspannungen Us 1... haben eine gleiche Taktfrequenz 1 / T, die klein ist gegenüber der Frequenz der Wechselstromquelle N, während die Höhe der Sägezahnspannungen Ust,..· aber unterschiedlich sein darf. In Fig. 2 sind die Zeitunterschiede zwischen Beginn der rechteckförmigen Spannungsimpulse Uk 1, Uki und Beginn der Steuerimpulse St 1,... St 3 an den Ausgängen der Synchronsteuerlj-gik 13, 23,33 jeweils bei einem Netznulldurchgang so klein, daß sie nicht aufscheinen. Die Einschaltzeiten tem der Triacs TWl, TW3 beginnen mit dem Beginn der Steuerimpulse Si I₁Sf 3.

Nach Fig. 1 werden die Sägezahnspannungen Ust, ... Us,, allgemein mit Hilfe von Reihen-ßC-Gliedern ACl₁... RCn erzeugt, in welchen die Ladeströme der Kondensatoren Cl, ,,,Cn mit Konstantstromstufen Rl,... Rn konstantgehalten sind und die Kondensatoren Cl ...Cn durch je eine Schaltstufe s_)t... S_n jeweils kurzzeitig entladen werden. Die Sägezahnspannungen Ust, ■■:Usn sind den zweiten Eingängen der Komparatoren 12,22,32 zugeführt. Es wird jede Schaltstufe s von einem der Ausgänge des Impulsgenerators IG periodisch mit der Taktfrequenz 1/7" in den Schließzus'.and

gesteuert. Mit dem Taktgenerator TC wird die Taktfrequenz vorgegeben, dessen Taktinipulse Ui dem Eingang des Impulsgenerators IC zugeführt sind. Der Impulsgenerator IG hat soviel Ausgange, wie Geräte G betrieben werden. Über Ausgänge werden nacheinan- -> der die Schaltstufen s der η Sägezahngeneratoren durch Taktimpulse Ujt, Uri. ... Ui,, in Zeitabstand von T/n kurzzeitig in den Schließzusüind gesteuert und damit die Kippzeitpunkte f* der η Sägezahnspannungen Us \, ... Usn an den zweiten Eingängen der Komparatorcn 12, 22, 32 festgelegt. Dadurch werden die Einschaltzeiten te, der η Geräte G\ G_n zeitlich über eine jede Taktperiode Γ der Schwingungspaketsieuerung gleich verteilt. In F i g. 2 ist dies in den unteren Diagrammen Usi i. Us,;, Usn am Beispiel mit drei Geräten G\ bis G\ ge- ι> zeigt.

Der Verlauf des gesamten Netzstroms /^ ist in F i g. 2c unten dargestellt, wodurch nur ein bestimmter Betriebspunkt oder Zustand wiedergegeben wird. Die sogenannten Lastsprünge im Wechselstromnetz N können niemals größer als durch ein Gerät G verursacht werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

25

35

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Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Steuern oder Regeln von mehreren Verbrauchern nach dem Verfahren der Schwingungspaketsteuerung mittels statischer Wechselstrom-Stellglieder, mit jeweils einem das zugeordnete Wechselstrom-Stellglied ansteuernden Steuerimpulsgenerator, dem Ausgangssignale einer mit einer Sägezahnspannung fester Frequenz und mit einer variablen Steuerspannung beaufschlagten Komparatorschaltung über eine Synchronisierlogik zugeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die an den einzelnen Komparatoren (12,22,...) anliegenden Sägezahnspannungen (Us u Usi, ---) gleiche Frequenzen aufweisen und untereinander phasenverschoben sind, wobei die Phasenverschiebung gleich der durch die Anzahl (n) der Verbraucher (VX, V2,...)dividierten Periodendauer(T);st

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sägezahnspannungen (Usι, i/52,- - -) gleiche Höhe aufweisen.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem jeweüs zweiten Eingang (+) jedes (Comparators (12,22,...) die Sägezahnspannungen (Usι, Usι .--) vom Ausgang je eines Reihen-ÄC-Gliedes (RCi, RC2,...) zugeführt sind.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein gemeinsamer Taktgenerator (TC) über einen Impulsgenerator (IG) die Phasenverschiebung der einzelnen Sägezahnspannungen (Usι, Usi,.-.)steuert.