-
-
Steuersatz
-
Die Erfindung bezieht sich auf einen Steuersatz gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
-
Ein solcher Steuersatz ist aus der DE-AS 24 52 228 bekannt.
-
Die Zündimpulse für Ventile von Stromrichtern müssen eine zwar variable,
aber genau definierte Phasenlage bezüglich der den Stromrichter speisenden Netzspannung
haben. Synchronisierungshilfen sind dabei die Nulldurchgänge der Netzwechselspannung.
Mit Hilfe eines Komparators lassen sich die Nulidurchgänge leicht feststellen, wenn
die Netzspannung rein sinusförmig ist. Das ist jedoch nicht immer der Fall, Insbesondere
dann nicht, wenn das Netz oberschwingungsbehaftet ist. Dann ist es erforderlich,
Netzfilter, bestehend aus Widerständen, Kondensatoren und Induktivitäten zur Glättung
zu verwenden. Solche Filter verursachen jedoch unerwiinschte Phasendrehungen, die
zudem noch frequenzabhängig sind.
-
In der DE-AS 24 52 228 ist ein Steuersatz beschrieben, der diese Nachteile
mit erheblichem Aufwand an analog arbeitenden Schaltungsmitteln vermeidet, indem
eine sinusförmige Wechselspannung als phasengleiches ungestörtes Abbild zur Netzspannung
erzeugt und dann von einem Komparator in einfacher Weise auf Nulldurchgänge detektiert
wird.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfach aufgebauten
Steuersatz der eingangs genannten Art anzugeben, mit dessen Hilfe auch bei stark
oberschwingunsbehafteten Netzen eine präzise Zündimpulserzeugung aufgrund genauer
Erfassung der Nulldurchgänge der Netzspannung möglich ist.
-
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale
gelöst.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
-
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß durch die mittels des.PhaseA-regel kreises erzeugte rechteckförmige Nachbildung
der Netzspannung deren Nulldurchgänge besonders prizise durch Flankenwechsel der
Rechteckspannung angezeigt werden, und dies auch bei gestörten Netzen. Der Steuersatz
ist dabei einfach aufgebaut und für variable Netzfrequenzen einsetzbar. Eine Verzerrung
oder Phasenverschiebung tritt dabei nicht auf. Der Phasenregelkreis ermittelt in
einem ersten Schritt durch Bildung einer Rechteckspannung mit 4-facher Netzfrequenz
mittels des Spannungs/Frequenz-Umsetzers die 90°-Phasenlage zur Netzspannung. In
einem zweiten Schritt werden durch Bildung eines Rechtecksignales von doppelter
Netzfrequenz und einem Tastverhältnis von genau 1 : 1 mitt.els
des
ersten bistabilen Kippgliedes die Mitten zwischen den 90°-Phasenpunkten und damit
die Nulldurchgänge der Netzspannung angezeigt. Sowohl das monostabile Kippglied
als auch das dritte bistabile Kippglied werden von diesem Signal mit doppelter Netzfrequenz
getriggert, so daß das monostabile Kippglied bei jedem Netzspannungsnulldurchgang
einen Impuls als Synchronisierspannung abgibt und das dritte bistabile Kippglied
anzeigt, ob dieser Impuls eine positive oder negative Netzspannungshalbwelle einleitet.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnungen
dargestellt.
-
Es zeigen: Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau des erfindungsgemäßen Steuersatzes,
Fig. 2 die zeitlichen Verläufe der interessierenden Spannungen.
-
In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau des erfindungsgemäusen Steuersatzes
dargestellt. Die auf Nulldurchgänge zu detektierende Netzwechselspannung U wird
einem Phasendetektor 1 zugeleitet. Die Wechselspannung U ist dabei ungefiltert und
weist die Netzfrequenz f = bv /2>r (w = Kreisfrequenz) auf. Der Phasendetektor
1 ist im Ausführungsbeispiel als steuerbarer Umpoler bzw. Polaritätswender (Verstärkung
+1 bzw. -1 je nach vorliegendem Steuersignal) ausgebildet. Die dem Phasendetektor
1 entnehmbare Phasenfilterspannung U1 wird einem Phasenregler 2 (PI-Regler) zugeleitet,
der eine Reglerausgangsspannung U2 an einen Tiefpaß 3 abgibt.
-
Die am Tiefpaß 3 abgreifbare frequenzbestimmmende Steuerspannung U3
wird einem U/f-Umsetzer 4 (Spannungs/Frequenz-Umsetzer, z.B. spannungsgesteuerter
Oszillator,
VCO = Voltage Controlled Oszillator) zugeführt, der eine Rechteckspannung U4 mit
4-faeher Netzfrequenz f an den Takteingang eines Frequenzteilers 9 (Flipflop, erstes
bistabiles Kippglied) abgibt. Den beiden Ausgängen des Frequenzteilers 5 sind zwei
Rechteckspannungen Usa, U5b mit zweifacher Netzfrequenz f, einem Tastverhältnis
von 1 : 1 (Hochzeit : Tiefzeit) und einem gegenseitigen Phasenversatz von 1800 entnehmbar.
-
Die Rechteckspannung Usa wird einem Impulserzeuger 6 (Monoflop, monostabiles
Kippglied) zugeleitet, der ausgangsseitig Synchronisiersignale U6 (Synchronisierspannung)
abgibt. Die Rechteckspannung U5b wird dem Takteingang eines Frequenzteilers 7 (Flipflop,
zweites bistabiles Kippglied) zugeführt, an dessen einzigem Ausgang eine Rechteckspannung
U7 mit Netzfrequenz f, jedoch um 900 phasenversetzt zur Netzwechselspannung U ansteht.
Die Rechteckspannung U7 liegt dem Steuereingang des Phasendetektors 1 (Umpoler)
als Steuersignal sowie dem D-Eingang eines D-Flipflops 8 (drittes bistabiles Kippglied)
an. Dem Takteingang des D-Flipflops 7 wird die Rechteckspannung U5a zugeführt. Den
beiden Ausgängen des D-Flipflops 8 sind Rechteckspannungen U8a, U8b mit Netzfrequenz
f entnehmbar, wobei die Rechteckspannung U8a phasengleich und die Rechteckspannung
U8b um 1800 phasenversetzt zur Netzwechselspannung U verläuft.
-
Die Synehronisierimpulse U6 werden einem Sägezahngenerator 9a eines
Z0ndimpulserzeugers 9 zugeführt. Der Sägezahngenerator 9a ist ausgangsseitig mit
dem ersten Eingang eines Vergleichers 9b des Zündimpulserzeugers 9 verbunden. Der
zweite Eingang des Vergleichers 9b empfängt eine von einem Regler 10 abgegebene
Steuerspannung (veränderbare Steuergleichspannung) S. Dem Regler 10 liegen eingangsseitig
hier nicht interessierende FUhrunggrdßen W und Meßgrößen X für Ströme, Spannungen
oder
auch Leistungen an. Der Vergleicher 9b gibt ausgangsseitig Zündimpulse Z an einen
steuerbaren Umschalter 9c. Die beiden Steuereingänge des Umschalters 9c werden von
den Rechteckspannungen Uga und U8b beaufschlagt. Ausgangsseitig gibt der Umschalter
9c Zilndimpulse Z an die steuerbaren Stromrichterventile eines Stromrichters 11
ab.
-
Der Stromrichter 11 ist im Ausführungsbeispiel als steuerbarer Gleichrichter
ausgebildet, der wechselspannungsseitig an ein Wechselspannungsnetz 12 angeschlossen
ist und gleichspannungsseitig eine Last 13 (z.B. Motor) versorgt. Andere Ausführungsvarianten
des Stromrichters 11 sind ebenfalls einsetzbar. Die Spannung des Wechselspannungsnetzes
12 wird über eine Spannungserfassungseinrichtung 14 erfaßt und wie beschrieben als
Wechselspannung U dem Phasendetektor 1 zugführt.
-
In Fig. 2 sind die zeitlichen Verläufe der Netzwechselspannung U,
der dem Frequenzteiler 5 entnehmbaren Rechteckspannungen U5a und U5b, der Synchronisierimpulse
U6 (Synchronisierspannung), der dem Frequenzteiler 7 entnehmbaren Rechteckspannung
U7 sowie der ausgangsseitigen Rechteckspannungen Uga, U8b des D-Flipflops 8 dargestellt.
-
Nachfolgend wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Steuersatzes
beschrieben. Die aus den Bauteilen 1, 2, 3, 4, 5 und 7 bestehende Anordnung stellt
einen Phasenregelkreis PLL (Phase-locked loop) dar (siehe z.B.
-
H. Geschwinde, Einführung in die PLL-Technik, Vieweg-Verlag, 1978,
Seite 3). Die Theorie der Phasenregelkreise verlangt bei gestörten Sinussignalen
einen analog arbeitenden Phasendetektor, also einen Analogwertmultiplizierer oder,
wenn das Vergleichssignal rechteckförmig ist, einfach nur einen Umpoler oder
Polaritätswender.
Letzteres ist hier der Fall, weil das Umpolsignal, nämlich die Spannung U7 rechtecktförmig
ist.
-
Ist der Phasenverlauf der Spannung U7 gegenüber dem Phasenverlauf
der Netzwechselspannung U um 900 versetzt, so ist die Phasenfehlerspannung U1 am
Ausgang des Phasendektors 1 eine reine Wechselspannung ohne Gleichanteil. Bei einer
Abweichung des Phasenversatzes zwischen U7 und U vom Wert 900 entsteht ein Gleichanteil
bei der Phasenfehlerspannung U1, der über den Phasenregler 2 und den TiefpaR 3 zu
einer Verstellung der frequenzbestimmenden Spannung U3 am Ausgang des Tiefpasses
3 führt. Der U/f-Umsetzer 4 ändert daraufhin seine Frequenz und damit über die Frequenzteiler
5 und 7. die Phase der Spannung U7 (Umpolspannung) so, daß der Phasenfehler wieder
verschwindet.
-
Phasenregler 2 und Tiefpaß 3 können in ihrer Reihenfolge vertauscht
oder zu einem gemeinsamen Bauteil zusammengefaßt werden, was regelungstechnisch
äquivalent ist.
-
Die Zusammenfassung beider Bauteile 2, 3 trägt die Bezeichnung integrierendes
Schleifenfilter".
-
Der bis hierhin beschriebene Phasenregelkreis stellt bezogen auf die
Rechteckspannung U4 (Oszillatorausgangsspannung) am Ausgang des U/F-Umsetzers 4
einen Frequenzvervierfacher dar. Die Frequenzvervierfacbung ist ein Hilfsmittel,
um durch Frequenzhalbierung mittels des Frequenzteilers 5 die beiden gegenphasigen
Rechteckspannungen U5a und U5b zu gewinnen, wobei- die Rechteckspannungen U5a mit
ihren positiven Flanken den Nulldurchgang der Netzwechselspannung U sowie die Rechteckspannung
U5b mit ihren positiven Flanken den 90°-Durchgang von U anzeigen. Durch Frequenzteilung
der Spannung U5a mittels des D-Flipflops 8 werden die gegenphasigen Spannungen
U8a
und U8b erzeugt, die gleichzeitig mit der Netzwechselspannung U die Vorzeichen wechseln,
während das Flipflop 7 aus der Spannung U5b die um 900 zur Netzwechselspannung U
geschwenkte Schaltspannung U7 liefert, wie sie zur Steuerung des Phasendetektors
1 benötigt wird.
-
Die mit doppelter Netz frequenz laufenden gegenphasigen Spannungen
U5a und U5b gestatten es in einfacher Weise, den nur für die Phasenregelung benötigten
Phasenwinkel von genau 900 bereitzustellen und dennoch gleichzeitig eine Information
über den Zeitpunkt der Phasen 0o und 1800, also über die Nulldurchgänge des Netzes
zu gewinnen. Diese Information ist in den positiven Flanken der Spannung U5a enthalten,
weil das Tastverhältnis genau 1 : 1 ist und diese Flanken somit genau in der Mitte
zwischen den 90°-Phasenpunkten liegen, die der Phasenregelkreis PLL prinzipbedingt
ermittelt, und zwar auch bei gestörtem Netz.
-
Die positiven Flanken der Spannung Usa können daher über den Impulserzeuger
6 Synohronisierimpulse für den Zündimpulserzeuger 9 des Stromrichters 11 veranlassen,
während die Spannungen U8a und U8b zur Zuordnung der vom Zündimpulserzeuger 9 erzeugten
Zündimpulse Z zu den negativen oder positiven Netzhalbwellen dienen, d.h.
-
eine Information liefern, welche der Stromrichterventile gerade gezündet
werden müssen.
-
Bei Einsatz einer vollgesteuerten Einphasenbrückenschaltung als Stromrichter
11 sind beispielsweise vier Leitungen zwischen den vier Stromrichterventilen und
dem Zündimpulserzeuger 9 notwendig. Je nach Vorliegen einer positiven oder negativen
Netzhalbwelle der Spannung U beaufschlagt der über seine beiden Steuereingänge von
den Spannungen U8a und U8b gesteuerte Umschalter 9c die entsprechenden Leitungen
und damit die entsprechenden
beiden Ventile der Brückenschaltung
mit den Zündimpulsen, während die übrigen beiden Ventile jeweils gesperrt bleiben.
Entsprechendes gilt bei Einsatz einer Drehstrombrückenschaltung oder anderen Stromrichterschaltungen.
-
Leerseite