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Steuersatz zur Erzeugung der Zündimpulse für einen
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Stromrichter.
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Die Erfindung betrifft einen Steuersatz nach dem Sinus-Vertikal-Verfahren
zur Erzeugung der Zündimpulse für die steuerbaren Ventile eines Stromrichters, enthaltend
einen Steuertransformator, dessen Primärwicklung mit dem Starkstromteil des Stromrichters
verbunden ist und an dessen Sekundärwicklung eine der Zahl der Ventile entsprechende
Zahl sinusförmiger Steuer- und Hilfswechselspannungen abgreifbar ist, wobei zwischen
den Hilfswechselspannungen und den zugehörigen Steuerwechselspannungen eine von
der Zahl der Ventile abhängige Phasenverschiebung besteht, und eine der Zahl der
Ventile entsprechende Zahl von Teilsteuersätzen, wobei jeder Teilsteuersatz enthält:
- eine erste Einrichtung, um jeder Steuerwechselspannung eine Steuergleichspannung
zu überlagern,
- eine zweite Einrichtung, um das Über- und Unterschreiten
einer Schaltschwelle durch die Steuer- und die Hilfswechselspannung zu erkennen,
- eine dritte Einrichtung zur Erzeugung eines Ausgangssignals, sobald die Steuer-
und die Hilfswechselspannung ihre jeweilige Schaltschwelle unter- oder überschritten
haben, - eine vierte Einrichtung, um mittels eines externen Impulsfreigabesignals
die Weiterleitung des Ausgangssignals zu steuern, und - eine fünfte Einrichtung,
um das Ausgangssignal in einen definierten Zündimpuls umzuformen.
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Steuersätze nach dem Sinus-Vertikal-Verfahren sind beispielsweise
bekannt aus der DE-Zeitschrift "BBC-Nachrichten", 1961, Seite 675 bis 681 oder der
BBC-Firmendruckschrift GHS 1401c von 1971/72, insbesondere Bild 8. Dieser bekannte
Steuersatz enthält einen Steuertransformator, dessen drei Primärwicklungen mit entsprechenden
Punkten im Starkstromteil des Stromrichters verbunden sind. Die drei Eingangsspannungen
gelangen über ein dreiphasiges, auf die Grundfrequenz der Wechselspannung abgestimmtes
Filter zur Primärwicklung.
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Die erste Sekundärwicklung ist als einfache sechsstrahlige Sternwicklung
ausgeführt. Die zweite Sekundärwicklung besitzt demgegenüber Schwenkwicklungen.
Die Darstellung der einzelnen Wicklungen ist angelehnt an die Vektordarstellung
der Wicklungsspannungen. Wicklungen gleicher Richtung befinden sich auf demselben
Transformatorschenkel und haben Spannungen gleicher Phasenlage. Demnach eilt eine
Hilfswechselspannung, die am Ende der Schwenkwicklung abgegriffen wird, ihrer zugehörigen
Steuerwechselspannung, die am Ende der Sternwicklung abgegriffen wird, um den Phasenwinkel
von 90" - der bekannte Steuersatz ist für einen drehstromgespeisten Stromrichter
mit sechs steuerbaren Ventilen ausgelegt - voraus.
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Hilfs- und Steuerwechselspannungen gelangen über ein Kleinstwert-Gatter,
welches aus drei in Flußrichtung vorgespannten Dioden besteht, zu einem Impulserzeuger,
der aus einem Spannungskomparator und einem nachgeschalteten Monoflop besteht. Dem
Monoflop ist ein UND-Gatter nachgeschaltet, mit dessen Hilfe über ein externes Impulsfreigabesiqnal
die Weiterleitung der Zündimpulse zu den zugehörigen Ventilen gesteuert werden kann.
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Das Kleinstwert-Gatter leitet entsprechend der Polung der Dioden jeweils
die kleinere von Steuer- oder Hilfswechselspannung an den Eingang des Spannungskomparators.
Wird diese Eingangsspannung von negativen Werten kommend positiv, so springt die
Komparatorausgangsspannung von minus nach plus und löst im Monoflop einen Zündimpuls
aus. Dieser Zeitpunkt kann dadurch gesteuert werden, daß der Steuerwechselspannung
eine Steuergleichspannung überlagert wird, die am Sternpunkt der sekundärseitigen
Sternwicklung eingespeist wird.
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Die Hilfswechselspannung hat in Verbindung mit dem Kleinstwertgatter
die Aufgabe, für einen bestimmten Bereich innerhalb einer Spannungsperiode jegliche
Impulsbildung zu unterbinden. Dies geschieht dadurch, daß das Kleinstwert-Gatter
während der negativen Halbwelle der Hilfswechselspannung keine positiven Spannungen
am Eingang des Komparators auftreten läßt. Ohne diese Maßnahme könnte es zu fehlerhaften
Zündimpulsen kommen, die zu einer Fehlfunktion des gesteuerten Stromrichters führen.
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Die Verbindung der Primärwicklung des Steuertransformators mit dem
Starkstromteil des Stromrichters hat zur Folge, daß alle Unstetigkeiten und Störungen
auf den Starkstromleitungen die Bildung der Zündimpulse stören können. Diese Störungen
werden insbesondere durch die Kommutierungsvorgänge der Ventile des Stromrichters
hervorgerufen. Diese
Störungen werden durch die dem Steuertransformator
vorgeschalteten Eingangsfilter, die wegen ihrer Anordnung auf der Hochspannungsseite
relativ aufwendig sind, nur unzureichend gedämpft. Aufgrund dieser Störungen, die
gerade im Bereich der Schaltschwelle des Spannungskomparators liegen, entstehen
statt sauberer Einfach-Zündimpulse jetzt Mehrfach-Zündimpulse; außerdem können zu
Beginn der Sperrzeit sogar Fehlimpulse entstehen. Diese Fehl- und Mehrfachimpulse
führen zu Störungen oder gar zum Ausfall des Stromrichters.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Steuersatz
der eingangs genannten Art das Auftreten von Mehrfach- und Fehlimpulsen zu unterbinden.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die zweite Einrichtung als
Komparator mit einer Schalthysterese ausgebildet ist, daß die Hysteresespannung
höher ist als die Höhe der vom Starkstromteil des Stromrichters herrührenden Verzerrungen
der Steuerwechselspannung und daß im Mitkopplungszweig des Komparators eine Diode
derart angeordnet ist, daß die Schalthysterese nur für eine gewisse Zeitspanne nach
erstmaligem Auftreten des Ausgangssignales der dritten Einrichtung wirksam ist.
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Dadurch ergibt sich ein eindeutiges Schaltverhalten des Komparators;
Mehrfachimpulse können nicht mehr auftreten.
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Die Diode sorgt dafür, daß die Schalthysterese nur während bestimmter
Zeitspannen wirksam ist, so daß sich bezüglich der Zündimpulsbildung bei einem erfindungsgemäß
veränderten Steuersatz keinerlei Unterschied ergibt gegenüber der Zündimpulsbildung
bei dem bekannten Steuersatz. Wichtig ist jedoch, daß die Hysteresespannung höher
ist als die am Eingang des Komparators wirksamen, vom Starkstromteil des Stromrichters
herrührenden Verzerrungen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist für die Hilfswechselspannung
ein zweiter Komparator vorgesehen und sind die Ausgänge beider Komparatoren auf
ein UND-Gatter geführt.
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Durch diese Weiterbildung wird das Kleinstwert-Gatter des bekannten
Steuersatzes, welches wegen der Exemplarstreuungen der Dioden immer Toleranzen aufweist,
was unterschiedliche Zündzeitpunkte für die Ventile des Stromrichters bedeutet,
durch eine digitale UND-Verknüpfung ersetzt. Mit Hilfe der beiden getrennten Komparatoren
kann das Über- und Unterschreiten der Schaltschwelle mit höchster Genauigkeit erfaßt
werden. Außerdem kann jede Schaltschwelle individuell justiert werden, so daß sich
für alle Ventile des Stromrichters exakt die gleichen Zündwinkel ergeben.
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Vorzugsweise ist die Diode im Mitkopplungszweig des ersten Komparators
vom Ausgang des UND-Gatters zum Eingang des für die Steuerwechselspannung zuständigen
ersten Komparators geschaltet. Damit wird die Schalthysterese auf den für eine einwandfreie
Funktion nötigen minimalen Bereich verkürzt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die Steuergleichspannung
über einen Widerstand auf den zweiten Eingang des ersten Komparators geschaltet.
Dadurch ergeben sich eine Reihe von Vorteilen, nämlich daß Steuer- und Hilfswechselspannung
auf eingangsstromfreie Komparatoreingänge geführt werden können, wodurch der Steuertransformator
nur noch wenig belastet wird, und daß die Schaltschwelle des ersten Komparators
ebenfalls nur mittels einer Spannung, d.h.
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praktisch leistungsfrei eingestellt werden kann.
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Aus der Reduzierung des Leistungsbedarfs auf der Sekundärseite des
Steuertransformators ergibt sich als weitere vorteilhafte Ausgestaltung, daß die
Sekundärwicklung des Steuertransformators nur die der Zahl der Ventile entsprechende
Zahl von Teilwicklungen in Sternschaltung besitzt, daß der
Sternpunkt
mit Schaltungserde verbunden ist und daß der Sekundärwicklung ein Widerstandsnetzwerk
derart nachgeschaltet ist, daß an ersten Anschlüssen eines einen Ring bildenden
Spannungsteilers die Steuerwechselspannungen, an zweiten Anschlüssen dieses Spannungsteilers
die Hilfswechselspannungen abgreifbar sind. Mit dieser Maßnahme kann die Schwenkwicklung
des bekannten Steuertransformators eingespart werden, wodurch sich eine erhebliche
Verkleinerunq und Verbilligung des Steuertransformators ergibt; es ist sogar möglich,
die Steuerwicklung zusätzlich auf einem Transformator, der beispielsweise die Stromversorgung
der Elektronik des Steuersatzes sicherstellt, aufzubringen, so daß sich eine weitere
Einsparung ergibt.
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gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die Sekundärwicklung mit
Kondensatoren zu einem auf die Grundfrequenz der Steuerwechselspannung abgestimmten
Oberwellenfilter ergänzt. Damit ergibt sich der Vorteil, daß die Filter sehr klein
und preiswert ausfallen, während sie bei dem bekannten Steuersatz, wo sie auf der
Primärseite des Steuertransformators angeordnet sind, leistungsstark und damit groß
sein müssen.
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Vorzugsweise ist das externe Impulsfreigabesignal an einen dritten
Eingang des UND-Gatters geschaltet. Auf diese Weise wird ein zusätzliches UND-Gatter,
wie es beim bekannten Steuersatz zur Sperrung bzw. Weiterleitung der Zündimpulse
eingesetzt ist, eingespart. Außerdem wird in einem der parallelen Teilsteuersätze
immer sofort nach Aufhebung einer Impulssperre ein Zündimpuls gebildet, so daß der
angeschlossene Stromrichter schneller mit dem Aufbau eines Stromes durch den Verbraucher
beginnen kann.
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Vorzugsweise weist auch der zweite Komparator eine Schalthysterese
auf, wobei die Hysteresespannung höher ist als
die Höhe der vom
Starkstromteil des Stromrichters herrührenden Verzerrungen der Hilfswechselspannung;
außerdem ist im Mitkopplungszweig des zweiten Komparators eine Diode derart angeordnet,
daß die Schalthysterese über den gesamten für die Zündimpulsbildung verbotenen Bereich
wirksam ist. Mit dieser Maßnahme kann die Bildung von Fehlimpulsen wirksam unterdrückt
werden.
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Eine vorteilhafte Schaltungsvereinfachung sieht vor, daß das UND-Gatter
am Ausgang der beiden Komparatoren als verdrahtetes UND-Gatter durch Zusammenschalten
der stromaufnehmenden Ausgänge in Form von Transistoren mit offenem Kollektor realisiert
ist.
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Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert werden.
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Es zeigen: Fig. 1 das Schaltbild eines Teilsteuersatzes, Fig 2 ein
erstes Spannungs- und Impulsdiagramm für den Steuersatz der Fig. 1 und Fig. 3 ein
zweites Spannungs- und Impulsdiagramm für einen Steuersatz der Fig 1.
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Fig. 1 zeigt am Beispiel eines 6-pulsigen Stromrichters die Bildung
der sechs Steuerwechselspannungen und der sechs Hilfswechselspannungen sowie einen
Teilsteuersatz zur Erzeugung der winkelgerechten Zündimpulse aus Steuer- und zugehöriger
Hilfswechselspannung. Man erkennt einen Steuertransformator T, dessen Primärwicklung
TP mit dem Starkstromteil des (nicht dargestellten) Stromrichters verbunden ist.
Die Sekundärwicklung TS ist entsprechend dem als Beispiel angenommenen 6-pulsigen
Stromrichter als sechsstrahlige Sternwicklung ausgebildet, deren Sternpunkt mit
der Schaltungserde verbunden ist. Die Enden der Sekundär-
wicklung
TS sind über je einen Filterwiderstand Rl.l ... R1.6 an einen aus zwölf gleichen
Widerständen R2.1 ... R2.12 bestehenden, im Ring geschalteten Spannungsteiler geführt.
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An den insgesamt zwölf Anschlüssen 1, 2 ... 12 dieses Spannungsteilers
können insgesamt 6 Steuerwechselspannungen -Anschlüsse 1, 3, 5, 7, 9, 11 - und insgesamt
6 Hilfswechselspannungen - Anschlüsse 2, 4, 6, 8, 10, 12 - abgegriffen werden. Außerdem
sind parallel zum Spannungsteiler R2.1 R2.12 noch drei Kondensatoren C1, C2, C3
vorgesehen, die mit den Filterwiderständen Rl.l ... R1.6 je ein Oberwellenfilter
bilden.
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Vom Anschluß 7 des Spannungsteilers wird über die Leitung 13 die Steuerwechselspannung
U13 an den invertierenden Eingang eines ersten Komparators K1 geführt. Vom Anschluß
4 des Spannungsteilers wird die dazu gehörende Hilfswechselspannung U14 über die
Leitung 14 an den invertierenden Eingang eines zweiten Komparators K2 geführt. Die
Hilfswechselspannung U14 eilt der Steuerwechselspannung U13 um 90" voraus.
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Die für die-Funktion des Steuersatzes nötige Vorauseilung der Hilfswechselspannung
errechnet sich zu 3 . 1800/N, wenn N die Zahl der zu steuernden Ventile bedeutet.
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Auf einer Leitung 15 wird über einen Widerstand R3 dem nichtinvertierenden
Eingang 19 des ersten Komparators K1 eine Steuergleichspannung U15 zugeführt, beispielsweise
die Ausgangsspannung eines die Funktion des Stromrichters steuernden Reglers. Auf
diese Weise kann die Umschaltschwelle des Komparators K1, d.h. der Zeitpunkt, zu
dem die sinusförmige Steuerwechselspannung U13 die vertikale Schaltschwelle über-
bzw. unterschreitet, verändert werden. Der Ausgang des ersten Komparators K1 ist
auf ein UND-Gatter A geleitet. Am Ausgang 17 des UND-Gatters A erscheint das Ausgangssignal
U17, welches auf ein Monoflop M geführt ist, welches an seinem Ausgang 18 bei den
positiven Flanken des Ausgangssignals U17 Zündimpulse definierter Höhe und Dauer
abgibt.
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Das Ausgangssignal U17 ist außerdem über eine Diode D1 auf den nichtinvertierenden
Eingang 19 des ersten Komparators K1 geführt. Dadurch wird die Schaltschwelle U19
nach positiven Werten verschoben, solange am Ausgang des UND-Gatters A eine positive
Spannung ansteht.
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Der zweite Komparator K2 besitzt eine extern nicht einstellbare Schaltschwelle
für die Hilfswechselspannung U14. Sein Ausgang ist ebenfalls auf das UND-Gatter
A geführt. Im Mitkopplungszweig liegt eine zweite Diode D2, die die Schaltschwelle
nach negativen Werten verschiebt, solange am Ausgang des Komparators K2 eine negative
Spannung ansteht.
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An den Ausgängen der beiden Komparatoren K1 und K2 erscheinen nur
dann positive Signale, wenn die Steuer- und die Hilfswechselspannung U13, U14 negativer
als die jeweiligen Schaltschwellen sind. Positive Spannungen an den Eingängen des
UND-Gatters A führen zu einer positiven Spannung an seinem Ausgang 17, vorausgesetzt,
daß auch das Impulsfreigabesignal U16 auf der Leitung 16 positiv ist.
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Das Aufschalten des Impulsfreigabesignals auf einen dritten Eingang
des UND-Gatters A hat den erheblichen Vorteil gegenüber anderen Schaltungsanordnungen,
daß sofort nach Impulsfreigabe in mindestens einem der parallelen Teilsteuersätze
ein Zündimpuls gebildet wird, da die positiven Ausgangssignale der Komparatoren
K1, K2 für eine gewisse Zeitspanne anstehen. Die sofortige Bildung eines Zündimpulses
nach Aufhebung einer Impulssperre hat den Vorteil, daß der Stromrichter schneller
reagiert, wodurch der Stromaufbau in dem angeschlossenen Verbraucher ebenfalls schneller
vor sich geht.
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Fig. 2 zeigt den Verlauf der Steuerwechselspannung U13 und phasengerecht
dazu den Verlauf der Hilfswechselspannung U14.
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Man erkennt, daß die Steuerwechselspannung U13 im Bereich der Nulldurchgänge
erhebliche Verzerrungen aufweist, die von den Kommutierungsvorgängen des Stromrichters
herrühren und die über den Steuertransformator in den Steuersatz übertragen werden.
Die der Steuerwechselspannung U13 um 90" voreilende Hilfswechselspannung U14 besitzt
entsprechende Verzerrungen zu anderen Zeitpunkten, da sie aus zwei Steuerwechselspannungen
gebildet wird, die der dargestellten Steuerwechselspannung U13 um 60° bzw. 1200
vorauseilen.
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Eingezeichnet sind die Winkelbereiche W1 und W2; während des Winkelbereichs
W1 dürfen keine Zündimpulse entstehen, während des Bereichs W2, der hier von 0"
bis 1500 reicht, dürfen Zündimpulse gebildet werden. Der Winkelbereich von 1500
bis 1800 muß ebenfalls frei von Zündimpulsen bleiben, um eine einwandfreie Funktion
des Stromrichters zu gewährleisten. Dies wird jedoch durch einen anderen Teil dor
Zündelektronik sichergestellt, der nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist.
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Sobald die Hilfswechselspannung U14 die Nullinie passiert, schaltet
die Ausgangsspannung UK2 des zweiten Komparators K2 von plus nach minus bzw. von
minus nach plus.
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Da im Beispiel der Fig. 2 die Steuergleichspannung U15 zu 0 angenommen
ist, schaltet auch die Ausgangsspannung U'K1 des ersten Komparators K1 von plus
nach minus bzw. von minus nach plus, wenn die Steuerwechselspannung U13 die Nullinie
passiert. Aufgrund der Spannungsverzerrungen im Bereich des Nulldurchgangs schaltet
der Komparator K1 bei jedem Nulldurchgang mehrfach hin und her. Am Ausgang des UND-Gatters
A entsteht deshalb die Spannung U'17, die aus einem kurzen Anfangsimpuls und einem
längeren Schlußimpuls besteht. Da jede - mit einem Pfeil gekennzeichnete - positive
Flanke der Spannung U'17 in dem nachgeschalteten Monoflop M
einen
Zündimpuls auslöst, entstehen Mehrfachimpulse bei den Winkelstellungen OC 1 und
« 2.
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Sobald jedoch über die Diode D1 die Ausgangs spannung des UND-Gatters
A auf den Komparator K1 zurückgeführt wird, wird dessen Schaltschwelle nach positiven
Werten hin verschoben, was durch die Spannung U19 dargestellt ist. Die Hysteresespannung
UH, um die die Spannung U19 über die Spannung U15 angehoben wird, muß höher sein
als die Höhe der Verzerrungen der Steuerwechselspannung U13. Durch die Einführung
dieser Hysterese ergibt sich im Winkelbereich W2 ein eindeutiges Schaltverhalten,
was durch die Kurve UK1 dargestellt ist. Das Auftreten von Mehrfachschaltungen im
Winkelbereich W1 stört nicht, da hier das UND-Gatter A aufgrund der negativen Werte
der Spannung UK2 gesperrt ist.
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Am Ausgang des UND-Gatters A ergibt sich die Spannung U17, die nur
eine einzige positive Flanke beim Winkel X 1 aufweist, so daß das nachgeschaltete
Monoflop M auch nur einen einzigen definierten Zündimpuls erzeugt.
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Fig. 3 zeigt die Verhältnisse, wenn die Steuergleichspannung U15 negative
Werte aufweist. Die positive Flanke der Ausgangs spannung U17 des UND-Gatters A
erscheint bei dem Winkel 0<3, der gegenüber 0(1 näher zu 1800 verschoben ist.
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Da in diesem Beispiel die Schaltschwelle U15 außerhalb der Verzerrungen
im Bereich der Nullstellen liegt, wäre hier eine Hysterese entsprechend U19 für
eine einwandfreie Funktion nicht unbedingt nötig. Es kann jedoch nie ausgeschlossen
werden, daß die Steuerwechselspannung U13 auch außerhalb der Nulldurchgänge Verzerrungen
besitzt, so daß die Schalthysterese in allen Fällen für einen sicheren Betrieb sorgt.
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Fig. 3 zeigt weiterhin, wie Verzerrungen auf der Hilfswechselspannung
U14 im Bereich der Nulldurchgänge zu Fehlimpulsen, d.h. zur Impulsbildung im verbotenen
Winkelbereich W1, führen. Diese Verzerrungen im Bereich des Nulldurchgangs von U14,
d.h. im Bereich der Schaltschwelle des zweiten Komparators K2, führen zu einem Verlauf
der Ausgangsspannung U'K2, der nach der Verknüpfung mit der Ausgangsspannung UK1
des ersten Komparators K1 am Ausgang des UND-Gatters A zu einem Ausgangssignal U'17
führt. Das Ausgangssignal U'17 besitzt zwei mit einem Pfeil gekennzeichnete, ansteigende
Flanken je Periode, und zwar bei 0< 3 und bei 1800.
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Beide ansteigenden Flanken führen im Monoflop M zur Erzeugung eines
Zündimpulses U18. Der zweite bei einem Winkel von 1800 beginnende Zündimpuls liegt
eindeutig im verbotenen Bereich W1. Dieser Fehlimpuls kann zu einem Ausfall des
Stromrichters führen.
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Durch Einführen einer asymmetrischen Hysterese U20 mit Hilfe der Diode
D2 im Mitkopplungszweig des zweiten Komparators K2 können diese Fehlimpulse zum
Verschwinden gebracht werden.
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Sobald die Hilfswechselspannung U14 bei dem Winkel Z 4 zwischen 1500
und 1800 zum ersten Mal die Nullinie kreuzt, springt die Ausgangsspannung UK2 des
zweiten Komparators K2 von plus nach minus. Diese negative Ausgangsspannung sorgt
in Verbindung mit der jetzt durchlässigen Diode D2 dafür, daß die Spannung U20 am
nichtinvertierenden Eingang 20 des zweiten Komparators K2 zu negativen Werten verschoben
wird.
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Der Spannungshub U20 entsprechend dem Spannungsteilerverhältnis der
beiden Widerstände R4, R5 muß größer sein als die Höhe der vom Starkstromteil des
Stromrichters herrührenden Verzerrungen der Hilfswechselspannung U14. Der Winkel
t 4 liegt zwischen 1500 und 1800, d.h. in dem Bereich, in dem vereinbarungsgemäß
keine Zündimpulse auftreten, so daß durch die Schalthysterese die Funktion des Stromrichters
nicht beschränkt wird.
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Die Verknüpfung der beiden Ausgangsspannungen UK1 und UK2 im UND-Gatter
A führt zu einem Ausgangssignal U17, welches pro Periode nur jeweils eine ansteigende
Flanke bei dem Winkel α 3 besitzt. Fehl- und Mehrfachimpulse sind durch die
Einführung der asymetrischen Schalthysterese bei beiden Komparatoren eliminiert.