DE3218583C2

DE3218583C2 - Schaltervorrichtung zum öffnen und Schließen eines elektrischen Stromkreises mit einer induktiven Last

Info

Publication number: DE3218583C2
Application number: DE3218583A
Authority: DE
Inventors: Masami Tokyo Gokita
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1981-05-20
Filing date: 1982-05-17
Publication date: 1983-10-06
Also published as: DE3218583A1; GB2099243A; JPS57193964A; GB2099243B; US4443712A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltervorrichtung zu Steuerung der Stromzufuhr zu einer induktiven Last.

Zum öffnen und Schließen eines elektrischen Stromkreises mit einer Stromquelle und einer Last werden mechanische Schalter oder Halbleiterschalter, wie Thyristoren und Triacs, verwendet. Wenn bei einem solchen Stromkreis die Last induktiv ist, fließt beim Schließen des Stromkreises ein Stoßstrom entsprechend mehr als dem Zehnfachen des Dauerstroms, so daß ein zwischen die Stromquelle und die Last eingeschalteter Schutzschalter anspricht. Dies bedeutet daß der Schutzschalter beim jedesmaligen Schließen des Stromkreises rückgesetzt werden muß.

Es ist auch ein Nullspannungsschalter für die Stromsteuerung bekannt. Ein solcher Nullspannungsschalter umfaßt einen Phasendetektor zur Bestimmung eines Nullspannungspunkts einer Wechselspannung und einen Triggerkreis zum Durchschalten eines Halbleiterschalters zu dem Zeitpunkt, zu welchem die Wechselspannung den Nullspannungspunkt durchläuft. Auch bei Verwendung eines solchen Nullspannungsschalters für die Stromsteuerung einer induktiven Last mit einem Kern kann der Stoßstrom wegen der Induktivität der Last nicht unterdrückt werden.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer Schaltervorrichtung mit einem zwischen eine Wechselstromquelle und eine Last, z. B. eine induktive Last, eingeschalteten Halbleiter-Schalterelement, einem Phasendetektor zur Bestimmung einer vorbestimmten Phase einer Wechselspannung und einem Triggerkreis zum Durchschalten des Halbleiter-Schalterelements bei der vorbestimmten Phase der Wechselspannung nach Maßgabe des Phasendetektors zur Anlegung der Wechselspannung an die Last. Die Anordnung soll dabei so getroffen sein, daß der beim Durchschalten des Halbleiter-Schalterelements über die Last fließende Stoßstrom erheblich verringert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Insbesondere besteht die Lösung dieser Aufgabe darin, daß der Phasendetektorkreis so angeordnet ist, daß er die Phase eines Spitzenspannungspunkts der Wechselspannung erfaßt.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Schaltervorrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung,

F i g 2 bis 6 graphische Darstellungen von Signalwellenformen zur Erläuterung der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Schaltervorrichtung,

F i g. 7 ein detailliertes Schaltbild der Schaltervorrichtung gemäß der Erfindung und

Fig.8 eine graphische Darstellung einer Signalwellenform zur Erläuterung der Erfassung der Spitzenspannungspunktphase der Wechselspannung.

Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform umfaßt eine Wechselstromquelle 4, eine Schaltervorrichtung 2 gemäß der Erfindung und eine Last 3.

Die Last 3 ist eine induktive Last, etwa ein Transformator oder ein Motor, mit einem Kern und einer auf diesem gewickelten Spule oder Wicklung. Die Schaltervorrichtung 2 enthält, einen Phasendetektor- und Triggerkreis 4 zur Bestimmung oder Erfassung der Phase einer durch die Wechselstromquelle 1 gelieferten Wechselspannung zum Triggern des Schalterelements zu einem vorgesehenen Zeitpunkt, einen als Schalterelement zum Öffnen und Schließen des elektrischen Stromkreises dienenden Triac 5 und einen Steuerschalter 6 zur Steuerung der Stromzufuhr zur Last 3. Der Steuerschalter 6 ist ein einpoliger Umschalter, der in Fig. 1 in seiner AUS-Stellung zum öffnen des elektrischen Stromkreises dargestellt ist.

Wenn der Steuerschalter 6 aus der AUS-Stellung in die EIN-Stellung umgeschaltet wird, beginnt der Phasendetektor- und Triggerkreis 4 mit der Erfassung oder Bestimmung der Phase der Wechselspannung. Bei Erfassung eines Spitzenspannungspunkts der Wechsel-

spannung schaltet der Triac 5 durch. Sodann ist der Stromkreis geschlossen, wobei die Wechselspannung von der Wechselstromquelle der Last 3 zugeführt wird. Erfindungsgemäß kann ein Stoßstrom dadurch unterdrückt werden, daß der Triac 5 am Spitzenspannungspunkt der Wechselspannung oder in der Nähe dieses Spitzenspannungspunkts durchgeschaltet wird.

Im folgenden ist der Grund für diese Unterdrückung des Stoßstroms erläutert

Wenn eine Wechselspannung e=En?sin(ü)f+<p) gemäß F i g. 2 in die induktive Last 3 angelegt wird, gilt im allgemeinen folgende Beziehung:

Darin bedeuten:

(1)

Amplitude der Wechselspannung e,

Zeit,

Winkelfrequenz,

Magnetfluß,

Windungszahl der Wicklung und

eine konstante Phase.

Φ/π = eine Konstante.

Wie aus Gleichung (2)
Magnetfluß Φ im Fall von φ =
Fall von o; = 0 am größten.

Im Fall von <ρ = π72 und φ = 0 bestimmen sich die Wechselspannung eund der Magnetfluß Φ wie folgt:

Für	φ = π/2:	t + n/2),	(3)
	e = Em sin (ω	sin ωΐ.	(4)
	Φ = Φ r + Φηι
Für	φ =0:		(5)
	e = Em sin ω t	{\ + s\n (ω ι - π/2)}.	(6)
	Φ = Φγ + Φηι

ίο

15

20

Unter Heranziehung der Integrationsgleichung (1) in bezug auf die Zeit t mit Φ = Φγ (mit Φγ= Restmagnetfluß) als Anfangsbedingung ergibt sich folgendes:

φ = φ_Γ + Φηι cos φ + Φ nt sin (ω Ι +ψ -π/2).

(2)

Darin bedeutet:

35

hervorgeht, wird der π/2 am kleinsten und im

40

45

⁵⁰

Die Wechselspannung e und der Magnetfluß Φ, die durch Gleichungen (3) und (4) vorgegeben sind, sind in Fig. 3 veranschaulicht, während die Wechselspannung e und der Magnetfluß Φ gemäß Gleichung (5) und (6) in F i g. 4 dargestellt sind.

Fig. 3 veranschaulicht den Magnetfluß Φ, der dann rehalten wird, wenn die Last 3 an einem Spitzenspannungspunkt der Wechselspannung mit der Wechsel-Stromquelle 1 verbunden ist, während Fig.4 denselben &o Magnetfluß für den Fall veranschaulicht, daß die Last 3 an einem Nullspannungspunkt der Wechselspannung mit der Wechselstromquelle 1 verbunden ist. Wenn die Wechselstromquelle 1 gemäß F i g. 4 am Nullspannungspunkt der Wechselspannung mit der Last 3 verbunden ist, erreicht der Magnetfluß Φ seine maximale Größe Φγ+2 Φ in.

Der über die Last 3 fließende Strom ;' und der Magnetfluß Φ im Kein bilden gemäß Fig.5 eine Hystereseschleife. Eine Hystereseschleife A gibt dabei die Kennlinie im Übergangszustand an, während eine Hystereseschleife B die Kennlinie im Dauerzustand bzw. im eingeschwungenen Zustand wiedergibt. Wenn die Ströme an den Sättigungspunkten a und b des Magnetflusses Φ der Hystereseschleife A mit i 1 und /2 bezeichnet werden, läßt sich der Stoßstrom / auf die ir. F i g. 6 gezeigte Weise darstellen. Die Punkte a und b in F i g. 5 und 6 entsprechen denselben Punkten gemäß F i g. 4. Wie aus F i g. 6 hervorgeht, ist der Stoßstrom i am Punkt a am größten, wobei er eine Größe entsprechend mehr als dem Zehnfachen der Größe des Dauerzustandsstroms besitzt.

Der Stoßstrom / tritt aufgrund einer Übergangserscheinung bzw. Einschwingerscheinung auf, so daß der über den Stromkreis fließende Strom im Zeitverlauf zum Dauerzustandsstrom reduziert; wird. Wenn Widerstand und Induktivität der Last 3 mit R bzw. L bezeichnet werden, schwingt der Stoßstrom /' in Abhängigkeit von der Zeit / als Funktion von ε-¹™- ■' aus.

Gemäß Fig. 3 kann somit der Stoßstrom / dann erheblich verringert werden, wenn die Wechselstrom-C₁UeIIe 1 an einem Spitzenspannungspunkt der Wechselspannung mit der Last 3 verbunden wird.

Im folgenden ist der erfindungsgemäße Phasendetektor- und Triggerkreis 4 anhand von F i g. 7 im einzelner» erläutert.

Ein Phasendetektor 4/4 besteht aus einem Abwärtstransformator 10 mit einer an die Wechselstromquelle 1 angeschlossenen Primärwicklung 10a, einer ersten Sekundärwicklung 106, die mit einer Gleichstromquelle 11 zur Lieferung einer geregelten Gleichspannung Vcc von z. B. 5 V verbunden ist, und einer zweiten Sekundärwicklung 10c, die an einen Vollweg-Gleichrichterkreis 12 mit in Brückenschaltung angeordneten Dioden D 1 - D 4 angeschlossen is:t. Die Ausgänge des Vollweg-Gleichrichterkreises 12 sind mit einer Wellenformschaltung 13 mit einem Widerstand 14, einer Diode 15, Zener-Dioden 16 und 17 sowie einem weiteren Widerstand 18 verbunden.

Gemäß F i g. 8 wird eine Ausgangsspannung Pi des Vollweg-Gleichrichterkreises 12 an einem durch die Zener-Dioden 16 und 17 bestimmten Spannungspegel abgekappt, um mit Spitzenspannungspunkten AM, P2 usw. synchrone Meß-Ausgangsimpulse PO zu liefern.

Diese Impulse PO werden an einen Takteingang CP eines jK-Flip-Flops 19 angelegt, das durch die Gleichstromquelle 11 gespeist wird. Ein Ausgang Q des JK-Flip-Flops 19 ist an die Basis eines Treibertransistors 20 angeschlossen, der über die Gleichstromquelle 11 mit einer lichtemittierenden Diode 21 in Reihe geschaltet ist. Wenn der Eingang /des JK-Flip-Flops 19 auf einem hohen Pegel liegt, befindet sich der Eingang K auf einem niedrigen Pegel, wobei der Ausgang Q des JK-Fiip-Flops 19 vom niedrigen Pegel auf den hohen Pegel übergeht, um in Abhängigkeit von einem an seinen Takteingang CP angelegten Taktimpuls P0 den Treibertransistor 20 durchzuschalten. Bei durchgeschaltetem Treibertransistor 20 leuchtet die lichtemittierende Diode 21 auf.

Die lichtemittierende Diode 21 ist optisch an einen Triggerkreis AB angekoppelt, der Photothyristoren 22 und 23 aufweist, die parallel zueinander mit entgegengesetzter Polarität zwischen die Galeelektrode des Triacs 5 und die eine Klemme der Wechselstromquelle 1 eingeschaltet und optisch an die lichtemittierende Diode

21 angekoppelt sind. Die Photothyristoren 22 und 23 werden beide in Abhängigkeit von dem von der lichtemittierenden Diode 21 ausgestrahlten Licht durchgeschaltet. Als Ergebnis wird der Triac 5 durchgeschaltet.

Der Steuerschalter 6 mit einem Pol 6;) und festen Kontaktteilen 6b und 6c ist zur Stromsteuerung mit den Eingängen /und Kdes JK-Flip-Flops 19 verbunden. Der Pol 6a des Steuerschalters 6 nimmt die Ausgangsspannung Vcc der Gleichstromquelle 11 ab. Die beiden festen Kontaktteile 6b und 6c des Steuerschalters 6 sind jeweils über Widerstände 24 bzw. 25 mit Schaltungsmasse sowie über Widerstände 26 bzw. 27 mit den Eingängen /bzw. K des JK-Flip-Flops 19 verbunden.

In F i g. 7 ist der Steuerschalter 6 in seiner AUS- bzw. Offenstellung veranschaulicht, in welcher der Pol 6a mit dem zweiten festen Kontaktteil 6c verbunden ist. In diesem Zustand befindet sich der Eingang J des JK-Flip-Flops 19 auf Massepegel, während sein Eingang K auf dem Pegel Vcc liegt, so daß auch dann, wenn die Taktimpulse PO an den Takteingang CP des JK-Flip-Flops 19 angelegt werden, dessen Ausgang Q auf dem Massepegel verbleibt. In diesem Zustand ist der Treibertransistor 20 nicht durchgeschaltet, und die lichtemittierende Diode 20 leuchtet nicht auf. Infolgedessen sind die Photothyristoren 22 und 23 nicht durchgeschaltet, weshalb der Triac 5 nicht eingeschaltet ist.

Wenn dagegen der Pol 6a des Steuerschalters 6 auf den Kontaktteil 6b umgelegt wird, geht der Eingang J des JK-Flip-Flops 19 vom Massepegel auf den Pegel Vcc über, während sein Eingang K vom Pegel Vcc auf den Massepegel übergeht. Unter diesen Bedingungen geht der Ausgang Qdes JK-Flip-Flops 19 nach Maßgabe des an den Takteingang CP angelegten Taktimpulses von PO auf den Pegel Vcc über. Infolgedessen wird der Treibertransistor 20 aktiviert bzw. durchgeschaltet, so daß die lichtemittierende Diode 21 Licht erzeugt. Hierdurch werden die Photothyrisloren 22 und 23

H) durchgeschaltet bzw. leitend gemacht, so daß der Triac 5 in den Durchschaltzustand getriggert wird. Die Wechselstromquelle 1 ist demzufolge mit der Last 3 verbunden.

Wenn der Steuerschalter 6 vom EIN- bzw. Schließzu-

Ii stand in den Offenzustand umgeschaltet wird, geht der Eingang / des JK-Flip-Flops 19 auf den Massepege! über, während der Eingang K auf den Pegel Vcc übergeht. Unter diesen Bedingungen geht der Ausgang ζ) des JK-Flip-Flops 19 in Abhängigkeit vom nächsten Taktimpuls PO auf den Massepegel über, um den Treibertransistor 20 sperren zu lassen. Infolgedessen wird die lichtemittierende Diode 21 zum Abschalten oder Sperren der Photothyristoren 22 und 23 deaktiviert. Der Triac 5 schaltet daher ab, d. h. er sperrt.

Eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 28 und einem Kondensator 29 sowie une Parallelschaltung aus einem Widerstand 30 und einem Kondensator 31 sind zur Verhinderung einer Fehlbetätigung des Triacs 5 in die Schaltung einbezogen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltervorrichtung zum öffnen und Schließen eines elektrischen Stromkreises aus einer Wechselstromquelle und einer induktiven Last, mit einem zwischen die Wechselstromquelle (1) und die Last (3) geschalteten und in Abhängigkeit von der Anlegung eines Triggersignals eine Wechselspannung an die Last anlegenden Halbleiter-Schalterelement (5), einem Phasendetektorkreis (4A) zur Bestimmung oder Erfassung einer vorbestimmten Phase der Wechselspannung von der Wechselstromquelle (1) und einem Triggerkreis (4B), der nach Maßgabe des Phasendetektorkreises das Triggersignal zu einem Zeitpunkt der vorbestimmten Phase der Wechselspannung an das Halbleitcr-Schalterelenent (5) anlegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendetektorkreis (4B) so angeordnet ist, daß er die Phase eines Spitzenspannungspunkts der Wechselspannung erfaßt.

2. Schaltervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendetektorkreis (4A) einen Vollweg-Gleichrichterkreis (12) zur Durchführung einer Vollweggleichrichtung der Wechselspannung und eine zwischen den Vollweg-Gleichrichterkreis und den Triggerkreis geschaltete Wellenformeinrichtung (13) zur Lieferung des Triggersignals zum Halbleiter-Schalterelement aufweist, derart, daß mit den Spitzenspannungspunkten der Ausgangsspannung des Vollweg-Gleichrichterkreises synchrone Ausgangsimpulse geliefert werden.

3. Schaltervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendetektorkreis ein Flip-Flop (19) mit einem Steuereingang (J, K), einem zur Abnahme der Ausgangsimpulse der Wellenformeinrichtung geschalteten Takteingang (CP) und einem an den Triggerkreis angekoppelten Ausgang (Q) sowie eine mit dem Steuereingang des Flip-Flops verbundene, EIN- und AUS-Stellung^n besitzende *o Steuerschaltereinheit (6) aufweist, welche nach dem Umschalten aus der AUS- in die EIN-Stellung den Triggerkreis zur Anlegung des Triggersignals an das Halbleiter-Schalterelement nach Maßgabe des Taktimpulses aktiviert bzw. durchschaltet und nach dem *5 Umschalten aus der EIN- in die AUS-Stellung den Triggerkreis deaktiviert bzw. sperrt.

4. Schaltervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Flip-Flop ein JK-Flip-Flop ist. ■

5. Schaltervorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendetektorkreis (4A) und der Triggerkreis (4B) optisch gekoppelt sind.

55