DE3041280C1 - Kontaktloses Wechselstromrelais,bestehend aus Thyristorsteller mit Steuerschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein kontaktloses Wechselstromrelais, bestehend aus einem Thyristorsteller mit einer Gegenparallelschaltung zweier Thyristoren in Reihenschaltung mit einer Last und einer Wechselspannungs-Leistungsquelle, des weiteren aus einer den zwei Thyristoren zugeordneten Steuerschaltung, welche die weiteren im Oberbegriff des Patentani" > Spruchs 1 angegebenen Bestandteile aufweist.

Derartige Wechselstromrelais sind unter den Bezeichnungen »Solid State Relais«, abgekürzt mit »SSR«, bezeichnet sowie auch als »Elektronisches Lastrelais« (ELR) bekannt.

Durch die DE-AS 22 53 423 ist ein als Festkörper-Relais bezeichnetes, ebenfalls aus einem Thyristorsteller und der zugehörigen Steuerschaltung bestehendes, kontaktloses Wechselstromrelais bekannt, bei dem alle im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale vorhanden sind. Das bekannte Wechselstromrelais ist im offenen Relaiszustand, wenn der Phototransistor der Steuerschaltung kein Lichtsignal des lichterzeugenden Steuersignalgebers empfängt. Dann kann keine Steuerspannung an den Steuereingang des Steuerthyristors gelangen. Wird dagegen ein Lichtsignal des elektrisch erregten Steuersignalgebers an den Phototransistor abgegeben, dann kann, während die Wechselspannung der Leistungsquelle- genügend niedrig ist — das ist nur bei den Nulldurchgängen der Wechselspannung der Fall — eine Steuerspannung an den Steuereingang des Steuerthyristors angelegt werden. Hierfür ist die Steuerschaltung mit besonderen Mitteln ausgestattet, die bei den Nulldurchgängen ausreichend hohe Zündströme zu den Thyristoren des Thyristorstellers fließen lassen. Durch die lichtoptische Signalübertragung ist der Steuersignalgeber von der Steuerschaltung und dem Thyristorsteller potentialmäßig getrennt. Die Steuerschaltung benötigt übrigens in der Gleichrichterbrückenschaltung die zwei üblichen Anschlüsse für die Wechselspannung der Leistungsquelle und Strombegrenzungsmittel für die erwähnten Zündströme.

Andererseits ist z. B. durch die AEG-Telefunken-Druckschrift »Leistungssteiler THYROTAKT THYRO-VAR«, Lieferprogramm 1979, No. E31.15.105/0280, Seite 12 ff. ein Einphasen-Thyristorsteller der eingangs angegebenen Art bekannt mit einer Steuereinrichtung, durch die der Thyristorsteller in Abhängigkeit von einem stetigen Signal eines Reglers über ein Eingangsnetzwerk, einen Komparator und eine Steuerlogik mit Hilfe eines Impulsgebers so angesteuert wird, daß er nach dem sogenannten Vollschwingungs-Taktprinzip schaltet und arbeitet. Hierdurch kann der Thyristorsteller, wenn der Steuereinrichtung ein Regel- oder Steuersignal eingegeben wird, ebenfalls nur bei einem Nulldurchgang der Wechselspannung der Leistungsquelle angesteuert werden und wird jeweils eine ganze Zahl Vollperioden der Wechselspannung (in Abhängigkeit von dem Signal) lang andauernd angesteuert gehalten.

Die betreffende Steuereinrichtung ist somit Teil eines Regelkreises, wie beispielsweise für Temperaturregelung. Das Verhalten des Regelkreises kann mit einer

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zusätzlichen Ausstattung der Steuereinrichtung wahlweise durch eine unterlagerte Spannungsregelung oder Leistungsregelung noch verbessert werden, indem ersterenfalls Schwankungen der Wechselspannung der Leistungsquelle unter Umgehung eines langsam reagierenden Temperaturregelkreises direkt ausregelbar sind, und letzterenfails das Produkt der Lastspannung und des Laststromes ebenso direkt regelbar ist.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, ein als Nullspannungsschalter arbeitendes, kontaktloses Wechselstromrelais mit einem Thyristorsteller und einer Steuerschaltung zu schaffen, die ohne besondere zusätzliche Mittel ausgestattet ist und die lichtoptisch übertragene Steuersignale empfängt, durch welche der Thyristorsteller unter Verwendung einer Steuereinrichtung mit den vorangehend aufgezeigten Merkmalen nach dem Vollschwingungs-Taktprinzip schaltbar ist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ergibt sich durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale eines kontaktlosen Wechselstromrelais entsprechend dem Oberbegriff dieses Patentanspruchs, nämlich dadurch, daß bei der Steuerschaltung die zwei Wechselspannungsanschlüsse der Einphasengleichrichterbrückenschaltung einzeln über die Steuerstrecke je eines von den zwei Thyristoren des Thyristorstellers mit der Wechselspannungs-Leistungsquelle verbunden sind, und daß der lichterzeugende Steuersignalgeber durch einen Impulsgeber elektrisch erregt wird, von welchem Dauerimpulse abgegeben werden, die eine ganze Zahl Vollperioden, mindestens eine Vollperiode der Wechselspannung der Leistungsquelle lang in Abhängigkeit von einem stetig vorgegebenen Regelsignal andauern und jeweils bei einem Nulldurchgang der Wechselspannung beginnen.

Die erfindungsgemäße Lösung stellt sich als Kombination eines kontaktlosen Wechselstromrelais bekannter Art, jedoch mit veränderter Steuerschaltung und mit einer gleichfalls bekannten Steuereinrichtung dar, deren beider erwähnte Funktionen in der Kombination uneingeschränkt gegeben sind und vorteilhaft zusammenwirken.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung entspricht es, daß bei der Verwendung kontaktloser Wechselstromrelais für Drehstromanwendungen, d. h. Verwendung als statisches Stellglied in Sparschaltung für Drehstrom, das aus zwei Thyristorstellern und zwei zugeordneten Steuerschaltungen nach Patentanspruch 1 besteht, die in je einer Reihenschaltung einer Lastphase und einer Phase einer Dreiphasenspannungs-Leistungsquelle liegen, die zwei lichterzeugenden Steuersignalgeber der zwei Steuerschaltungen in Reihenschaltung liegen oder über je einen angepaßten Widerstand in Parallelschaltung angeordnet sind und gemeinsam durch einen Impulsgeber elektrisch erregt werden (Patentansprüche 2 und 3), mithin ebenfalls eine Sparschaltung bilden, wobei der Impulsgeber mit einer verketteten Spannung der Leistungsquelle synchronisiert ist.

In der Zeichnung ist die Erfindung durch Schaltbilder und Diagramme dargestellt und nachstehend näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die Schaltung eines kontaktlosen Einphasen-Wechselstromrelais, gesteuert durch eine Steuereinrichtung für Thyristorsteller;

F i g. 2 ein Blockschaltbild eines kontaktlosen Dreiphasen-Wechselstromrelais mit einer Steuereinrichtung für Thyristorsteller;

F i g. 3 Spannungs-Zeit-Diagramme sowie ein Zeitdiagramm des Steuersignals für ein Wechselstromrelais nach F i g. 2.

In den Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Den Wechselstromrelais nach Fig. 1 und 2 ist eine Steuereinrichtung 2 zugeordnet, durch die Thyristorsteller Sf, StR, Str der Wechselstromrelais, die aus zwei gegenparallelen Thyristoren 11 und 12 (Fig. 1) bestehen, mittels Steuersignale so gesteuert werden, daß sie nach dem Vollschwingungs-Taktprinzip schalten. Diese Steuereinrichtung ist bekannt, ihre Bestandteile und Funktionen sind oben einleitend beschrieben. In F i g. 1 ist die Steuereinrichtung als Blockschaltbild dargestellt, in dem ein Eingangsnetzwerk, welchem eine Steuerspannung Ust von einem nicht dargestellten Temperaturregler zugeführt ist, mit 21 bezeichnet ist, und in dem ferner ein Komparator mit 22, eine Steuerlogik mit 23 und ein Impulsgeber mit 24 bezeichnet sind. Durch die Steuerlogik 23 wird das Ein- und Ausschalten des Thyristorstellers St mit Hilfe des Impulsgebers 24 von zwei konjunktiv miteinander verknüpften Kriterien abhängig gemacht. Der Speicher der Steuerlogik kann erst dann gesetzt werden, wenn der Komparator ein Signal vorgibt und durch eine Synchronisiereinrichtung 25 ein Impuls erzeugt wird, der im positiven Nulldurchgang der Wechselspannung u der Leistungsquelle 13 abgegeben wird.

Die Steuereinrichtung 2 enthält ferner einen Versorgungsgleichrichter G und zwei Erfassungsglieder 26,27 für die Spannung an der Last 14 und den Laststrom und ist in F i g. 1 mit einem Multivibrator 28 und einem Modulatorumformer 2.9 für unterlagerte Leistungsregelung zusätzlich ausgestattet. Der Umformer 29 bewirkt eine sogenannte Frequenz-Pulsbreiten-Modulation, wobei die gleichgerichtete Lastspannung in Abhängigkeit von den Momentanwerten des gleichgerichteten Laststromes tastmoduliert wird, so daß der sonach strommodulierte Gleichrichtwert der Lastspannung der Wirkleistung an der Last proportional ist.

Durch den Impulsgeber 24 elektrisch erregt wird eine lichtemittierende Diode LED, die als lichterzeugender Steuersignalgeber 19 im Ausgangsstromkreis des Impulsgebers der Steuereinrichtung liegt. Durch die Steuereinrichtung wird über den Impulsgeber ein Dauerimpuls / erzeugt, sobald eine Steuerspannung U_st dem Eingangsnetzwerk 21 zugeführt wird, die hinreichend groß ist. Liegt Spannung an der Last 14 an, wird das Netzwerk 21 über 26 umgeladen. Der Dauerimpuls und damit die Stromführungszeit des Thyristorstellers dauert mindestens eine Periode der Wechselspannung u lang an. Das ist der Fall, wenn U_st innerhalb der ersten Periode von u nicht mehr hinreichend groß bleibt. Dann erhält der Impulsgeber über die Steuerlogik einen Abschaltbefehl, der durch eine zweite Synchronisiereinrichtung 25' im negativen Nulldurchgang am Ende der ersten Halbperiode erzeugt wird. Bleibt U_st dagegen erst innerhalb der nten Periode von u nicht mehr hinreichend groß, dann werden entsprechend Dauerimpuls und Stromführungszeit eine ganze Anzahl η Perioden (Vollschwingungen) der Wechselspannung u lang.

Die Übertragung des Dauerimpulses /vom Impulsgeber 24 auf den Thyristorsteller St geschieht als Lichtsteuersignal zwischen der Diode LED und dem Eingang einer Steuerschaltung, die dem Thyristorsteller unmittelbar vorgeordnet ist. Die Steuerschaltung besteht aus einer Gleichrichterbrückenschaltung 15 mit vier Gleichrichterdioden Di bis Di und einem

Steuerthyristor 16 in der Gleichstromdiagonale. Die zwei Wechselstromeingänge der Brückenschaltung sind, wie ersichtlich, mit den Steuerelektroden der Thyristoren 11,12 des Thyristorstellers verbunden und über die Steuerstrecken der Thyristoren an die Wechselspannung u angeschlossen. Die Steuerschaltung enthält ferner einen aus zwei Transistorstufen bestehenden Verstärker 17, dessen Ausgang mit der Steuerelektrode des Steuerthyristors verbunden ist. Die Eingangsstufe des Verstärkers enthält einen Phototransistor Ph, der die Lichtsteuersignale des Steuersignalgebers 19 empfängt. Der Transistor Tder Ausgangsstufe liegt parallel der Steuerstrecke des Thyristors 16, und der Phototransistor liegt parallel der Steuerstrecke des Transistors T. Die Verstärkerschaltung und ihre Verwendung als Signalverstärker ist an sich bekannt. 16 wird nur dann angesteuert, wenn ein Steuersignal der Steuereinrichtung an die Steuerschaltung übertragen wird. Dann wirkt der Thyristor 16 wie ein geschlossener Steuerkontakt, durch den die Steuerschaltung des Thyristorstellers an die Wechselspannung u angeschlossen ist, so daß ein Steuerstrom eingeschaltet ist, der aus der Leistungsquelle 13 über die Steuerstrecke des jeweils sperrenden Thyristors des Thyristorstellers zu der Steuerelektrode des von u in der Vorwärtsrichtung beanspruchten Thyristors fließt und diesen einschaltet. Zum Beispiel ist in F i g. 1 Thyristor 12 sperrend, und Thyristor 11 wird eingeschaltet, wenn das Wechselstromrelais durch die Wechselspannung am oberen Stromanschluß positiver als am unteren Stromanschluß vorgespannt ist.

Mittels der Steuereinrichtung werden abhängig von einer Steuer- bzw. Regelspannung U_sl, d. h. abhängig vom Bestehen derselben, Steuersignale erregt, die jeweils in einem positiven Nulldurchgang der Wechselspannung u beginnen, so daß der Thyristorsteller des Wechselstromrelais bereits mittels der Steuereinrichtung als Nullspannungsschalter angesteuert wird. Damit genügt als Steuerschaltung des Thyristorstellers ein nur zweistufiger Verstärker mit einem die Lichtsteuersignale des Signalgebers 19 empfangenden Phototransistor Ph eingangsseitig mit der Funktion der Rückumwandlung der Lichtsteuersignale in Spannungssignale und Verstärkung derselben für die Ansteuerung des Steuerthyristors 16. Die Steuerschaltung weist übrigens die oben erläuterte Besonderheit auf, daß ihre Gleichrichterbrückenschaltung 15 . wechselstromseitig keine direkten Anschlüsse zur Wechselspannung u und keine Schutzwiderstände in den Steuerstromkreisen benötigt. . - -

In F i g. 2 ist die Anwendung der Erfindung in einer weiteren Ausgestaltung bei einem kontaktlosen Drehstromrelais gezeigt. Dieses in Sparschaltung zusammengesetzte Drehstromrelais besteht aus zwei Relais nach F i g. 1, die in den zwei Phasenleitungen von R und T einer Dreiphasenspannungs-Leistungsquelle liegen und dort in je einer Reihenschaltung mit der Phasenspannungsquelle 13/? bzw. 13 Γ und einer Phasenlast 14R bzw. 14 Γ angeordnet sind. Die Relais sind mit \R bzw. 1 Tbezeichnet und als zwei Blöcke dargestellt. Den zwei Relais ist eine Steuereinrichtung 2 nach Fig. 1, die ebenfalls als Block dargestellt ist, welcher eine Steuerspannung U_s, eingegeben wird, gemeinsam zugeordnet. Diese Zuordnung besteht darin, daß die zwei LED's als lichtemittierende Steuersignalgeber 19 der Steuerschaltungen der zwei Wechselstromrelais \R,\T im Ausgangsstromkreis des Impulsgebers 24 der Steuereinrichtung 2 in Reihenschaltung angeordnet sind, mithin ebenfalls eine Sparschaltung bilden.

Die Wirkungs- und Schaltweise des Drehstromrelais ist anhand der Diagramme c bis e in F i g. 3 zu ersehen, worin der zeitliche Verlauf der drei Phasenlastspannungen Ur, us, u_t dargestellt sind und beispielsweise ein Dauerimpuls /und folglich ein Steuersignal s abgegeben wird, das genau eine Periode lang ist (s. Diagramm b). In Diagramm a ist der zeitliche Verlauf der drei Phasenspannungen R, S, Tder Dreiphasenspannungs-Leistungsquelle 13/?, 135,13Tdargestellt.

Das Steuersignal s beginnt im Zeitpunkt fo — 30° el. Als erstes eingeschaltet (geschlossen) wird das Wechselstromrelais 1/? im Zeitpunkt fo — 30° el, wo die (verkettete) Spannung zwischen Rund Seinen positiven Nulldurchgang hat. Dann wird als zweites und letztes das Relais 1 Tim Zeitpunkt fo + 60° el zugeschaltet, wo die Phasenspannung von T einen negativen Nulldurchgang hat, während das Potential des Mittelpunktes M (Sternpunkt) annähernd Null ist. Als erstes wird nach dem Ende des Steuersignals s (bei fo + 330° el) das Relais 1/? im Zeitpunkt fo + 360° el abgeschaltet (geöffnet), wo die Phasenspannung R den nächsten Nulldurchgang hat,. Dann folgt im Zeitpunkt fq + 450° el die. Abschaltung des Relais 1T, wo die (verkettete) Spannung zwischen Tund S erstmals nach dem Ende von s Null wird,

Die drei Phasenlastspannungen werden in dem hier angenommenen Beispiel (s. Diagramm c bis e der Fig.3) mittels des.Drehstromrelais jeweils nur ungefähr eine volle Periode lang an die Phasenlast durchgeschaltet, und es sind daher die Phasenlastspannungen nicht genau.sinusförmig. Ihre Abweichung von der Sinusform ist bei jeder Phasenlastspannung durch den in den betreffenden Diagrammen strichliert angedeuteten Sinusverlauf zu erkennen.

-Hierzu-2-Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Kontaktloses Wechselstromrelais, bestehend aus einem Thyristorsteller mit einer Gegenparallelschaltung zweier Thyristoren in Reihenschaltung mit einer Last und einer Wechselspannungs-Leistungsquelle, des weiteren bestehend aus einer den zwei Thyristoren zugeordneten Steuerschaltung mit einer Einphasengleichrichterbrückenschaltung, bei welcher die zwei Wechselspannungsanschlüsse einzeln mit der Steuerelektrode je eines von den zwei Thyristoren der Gegenparallelschaltung verbunden sind, und die zwei Gleichspannungsanschlüsse miteinander durch einen bezüglich dieser Gleichspannung in der Vorwärtsrichtung gepolten Steuerthyristor, mit dem der Steuerstrom für die zwei Thyristoren kontaktlos schaltbar ist, verbunden sind, ferner mit einem dem Steuereingang des Steuerthyristors vorgeordneten zweistufigen Transistorverstärker mit einem Phototransistor in der Eingangsstufe, und mit einem lichterzeugenden, elektrisch erregbaren Steuersignalgeber, von dem der Phototransistor Steuerlichtsignale empfängt, wobei der Steuerthyristor jeweils nur bei einem Nulldurchgang der Wechselspannung der Leistungsquelle den Steuerstrom des Thyristorstellers einschaltet und der Thyristorsteller im nachfolgenden Nulldurchgang der Wechselspannung nach dem Ende des Steuersignals stromlos wird, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Wechselspannungsanschlüsse (A, A') der Einphasengleichrichterbrückenschaltung (15) einzeln über die Steuerstrecke je eines von den zwei Thyristoren (11,12) des Thyristorstellers (St) mit der Wechselspannungs-Leistungsquelle (13) verbunden sind, und daß der lichterzeugende Steuersignalgeber (19) durch einen Impulsgeber (2) elektrisch erregt wird, von welchem Dauerimpulse (I) abgegeben werden, die eine ganze Zahl Vollperioden, mindestens eine Vollperiode der Wechselspannung (u) der Leistungsquelle (13) lang in Abhängigkeit von einem stetig vorgegebenen Regelsignal CiZs₁) andauern und jeweils bei einem Nulldurchgang der Wechselspannung beginnen.

2. Kontaktloses Wechselstromrelais in Sparschaltung für Drehstromanwendung, bestehend aus zwei Thyristorstellern und zwei zugeordneten Steuerschaltungen nach Anspruch 1, welche Thyristorsteller in je einer Reihenschaltung mit einer Lastphase und einer Phase einer Dreiphasenspannungs-Leistungsquelle liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei lichterzeugenden Steuersignalgeber (19) der zwei Steuerschaltungen (15—19) in Reihenschaltung liegen und gemeinsam durch einen Impulsgeber (2) elektrisch erregt werden, wobei der Impulsgeber mit einer verketteten Spannung (urs) der Leistungsquelle (137?, 135,13 T) synchronisiert ist

3. Kontaktloses Wechselstromrelais in Sparschaltung für Drehstromanwendung, bestehend aus zwei Thyristorstellern und zwei zugeordneten Steuerschaltungen nach Anspruch 1, welche Thyristorsteller in je einer Reihenschaltung mit einer Lastphase und einer Phase einer Dreiphasenspannungs-Leistungsquelle liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei lichterzeugenden Steuersignalgeber (19) der zwei Steuerschaltungen (15—19) über je einen angepaßten Widerstand in Parallelschaltung angeordnet sind und gemeinsam durch einen Impulsgeber (2) elektrisch erregt werden, wobei der Impulsgeber mit einer verketteten Spannung
der Leistungsquelle (13/?, 13S, 137} synchronisiert ist.