DE3445296A1

DE3445296A1 - Verfahren und anordnung zum steuern der halbperioden-mittel- oder effektivwertgroesse einer wechselspannung an einer last

Info

Publication number: DE3445296A1
Application number: DE19843445296
Authority: DE
Inventors: Milton Dayton Scotia N.Y. Bloomer
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1983-12-14
Filing date: 1984-12-12
Publication date: 1985-06-27
Also published as: FR2556899A1; JPS60144811A; GB8429263D0; NL8403784A; BE901257A; GB2151377A; US4567425A; BR8406536A

Description

Verfahren und Anordnung zum Steuern der Halbperioden-Mittel- oder Effektivwertgröße einer Wechselspannung
an einer Last

Die Erfindung bezieht sich auf Schaltkreise zum Steuern der Leistungsaufnahme einer Last und betrifft insbesondere ein neues Verfahren und eine neue Anordnung zum
Steuern der Mittel- oder Effektivwertgröße der Wechselspannung an einer Last.

I·;.··. isl bek.innl, die Ci öße eines von einer Wechsel si rom quel.lo aus durch oinc hast f 1 j eik-ndeii Stroms mi Li eis
einer Phasenanschnittsteuerschaltung zu steuern, und zwar unter Verwendung entweder einer Vorwärtsphasensteuerung

(welch letztere in der Patentanmeldung P 34 32 225 der Anmelderin erläutert ist], In vielen Fällen ist eine rückführungslose Steuerung der Lastspannungsgröße und deshalb der durch die Last aufgenommenen Leistung ausreichend. In vielen anderen Fällen, z.B. bei einem Netzspannungswandler zum Speisen von Niederspannungsglühlampen, ist eine Regelung der Last-, d.h. der Lampenspannungsgröße und deshalb der Lampenleistung erwünscht. Es ist außerdem erwünscht, daß jedes Verfahren und jede Anordnung zum Steuern oder Regeln der Lastspannungsgröße, ob nun die Größe des "Mittelwerts" (mean absolute deviation oder MAD) oder des Effektivwerts (root-mean-square oder RMS) gesteuert oder geregelt wird, bei jedem Schaltspannungs- oder Phasensteuerungs (ob Vorwärtssteuerungs oder Rückwärtssteuerungs) -Spannungswandler verwendbar ist und außerdem gleichermaßen gut zur Verwendung bei Leistungsschaltvorrichtungen, die in Reihe zwischen der gesteuerten Last und einer Wechselspannungsquelle angeordnet sind, vom regenerativen Typ oder vom mit gesteuerter Abschaltung arbeitenden Typ, geeignet sind. Es ist außerdem äußerst erwünscht, daß jede Lastspannungsgrößensteueranordnung in der Lage ist, in Verbindung mit Laststromsteuereinrichtungen zu arbeiten, wie beispielsweise der Rückwärtsphasenlaststromsteueranordnung gemäß der vorgenannten weiteren Patentanmeldung, die eine Laststeuerung während des Anfangsintervalls mit hoher Einschaltstromspitze, während welchem eine "kalte" Last zum erstenmal mit Strom versorgt wird, bewirkt.

Gemäß der Erfindung ist eine Lastspannungsabtastcinrichtung vorgesehen zum Abtasten der Größe der Spannung an der Last während wenigstens eines der Zeitintervalle, während denen der Laststrom während einer Quellenwellenform-

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periode fließt. Die abgetastete Lastspannung wird mit einem Referenzwert verglichen, und die Differenz in der Größe zwischen der abgetasteten Spannung und der Referenzspannung wird über der Zeit integriert, um ein Einst el 1 signal /.u erzeugen, Das Einstellsigna] wird an cMJio Einrichtung angelegt zum Ze.i !steuern der LoitungiJ-periode von Leistungsschalteinrichtungen in Reihenschaltung zwischen der gesteuerten Last und einer Wechselstromquelle durch Verändern der Leitungs beendigungszeit nach jedem Leitungsbeginn (bei jedem Quellenwellenformnulldurchgang), um die gewählte Mittelwert (MAD) - oder Effektivwert (RMS)- Spannungsgröße an der Last auf einen derartigen Wert zu verändern, daß die abgetastete Lastspannungsgröße im wesentlichen gleich der gewählten Referenzspannungsgröße ist.

Bei den gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen kann die Abtasteinrichtung für die Mittelwert- oder die Effaktivwertgrößensteuerung ausgelegt werden, indem im wesentlichen ein richtig gewähltes passives Bauelement, z.B. ein einzelnes Widerstandselement, weggelassen oder hinzugefügt wird. Die Abtasteinrichtung ist nur während der Quellenwellenformperiode positiver Polarität der Laststromleitung bei der Mittelwertgrößensteuerungsausführungsform aktiv und bleibt bei der Effektivwertgrößensteuerungsausführungsform bis zum Ende der Quellenwellenformperiode negativer Polarität der Laststromleitung aktiv. Ein Teil der Quellenspannungswellenform reduzierter Amplitude wird somit bei der Effektivwert- Abtasteinrichtung benutzt, um eine zusätzliche Information über die Quellengröße zum Steuern der schnelleren Änderungen der Effektivwertlastgröße bei. einer Änderung der Quellengrösse zu liefern. Die Leistungsschalteinrichtung kann mit irgendeiner Ausführungsform von Leistungsschaltvorrichtungen realisiert werden, und die steuernde Zeitsteuereinrichtung kann so ausgelegt werden, daß sie das Leiten des Laststroms nach einem maximalen Intervall beendet, das durch eine Abschalteinstelleinrichtung bei Fehlen einer

gesteuerton Abschaltung der Lastschaltung und/oder unmittelbar dann eingestellt wird, wenn ein Laststrom fließt, der größer als vorbestiinmt ist (und für die Last und/oder die Leistungsschalteinrichtungen potentiell gefährlich ist).

Die Erfindung schafft demgemäß ein neues Verfahren zum Steuern der Größe der mittleren Spannung oder der Effektivspannung an einer Last, die in Reihe an eine Wechselstromquelle angeschlossen ist.

Weiter schafft die Erfindung eine neue Anordnung zum Steuern entweder der Mittel- oder der Effektivwertgröße der Spannung an einer Last, die in Reihe an eine Wcch.selstromquelle angeschlossen ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Lastspannungsgrößensteueranordnung nach der Erfindung,

dip Fi q. einen Satz zeitlich koordinierter Diagrnm-1.1 ■■ Id mc, welche die We I I en I nniicn v.eiqeii, die in der Schaltung nach Fig. 1 bei verschiedenen interessierenden Zuständen auftreten,

Fig. 2 ein Schaltbild einer ersten gegenwärtig

bevorzugten Ausführungsform der Anordnung nach der Erfindung, die insbesondere zum Steuern der mittleren Lastspannungsgröße ausgelegt ist,

Fig. 3 ein Schaltbild einer weiteren gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform der Anordnung nach der Erfindung, die insbesondere zum

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Steuern der Effektivwertgröße der Lastspannung ausgelegt ist,

die Fig. 3a-3d einen Satz von zeitlich koordinierten Diagrammen von mehreren Wellenformen, die in der Schaltung nach Fig. 3 zu beobachten sind, und

Fig. 3e ein Diagramm, das die Änderung der

Lastspannung bei einer Änderung der (verketteten) Quellenspannung für Schaltungen, welche die Mittel- bzw. EffektivwertlastSpannungsgrößen steuern, veranschaulicht.

Gemäß der Darstellung in den Fig. 1 und 1a-1c wird eine Lastspannungsgrößensteueranordnung 10 durch Schließen eines Schalters S mit einem Lastwiderstand 11, der eine Nennlastwiderstandsgröße IL hat, in Reihe an eine Wechselstromquelle 12 angeschlossen. Die Quellenspannung ist an einer ersten Phasenklemme L₁ und an einer zweiten Phasenklemme L~ verfügbar, die mit einer ersten Eingangsklemme 10a bzw. einer zweiten Eingangsklemme 10b der Steueranordnung verbunden sind. Eine ohmsche Last 11 ist zwischen die Quellenphasenklemme L₁ und eine weitere Klemme 10c der Steuerschaltungsanordnung 10 geschaltet. Die Last 11 erfordert typisch eine mittlere oder effektive Spannung V , d.h. die Spannung zwi-

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sehen den Klemmen 10a und 10c, die kleiner ist als die verkettete Quellenspannung V₁ „ zwischen den Klemmen 10a und

Jj I -JjZ

10b. Die verkettete Quellenspannung ^ν _τ·ι_τ2 ^^st typisch eine sinusförmige Spannungswellenform (Fig. 1a), die in den Vereinigten Staaten eine Frequenz von etwa 60 Hz und einen Scheitelwert V von etwa 163 V bei dem Standardpotential von 115 V j.., hat, das in den meisten Haushalts- und in kleinen Industrienetzen benutzt wird. Die ohmsche Last 11 könnte beispielsweise eine Niederspannungsglühlampe sein, die

3/, Λί»2ΠΓ,

ciiu- mi 1 I U-I t'/fl J t-k I i v< > l..i:;l spciniiuiH] V. mil i-inci CröHc von etwa 30 V erfordert. Die Spannungsgrößensteueranordnunq 10 muß deshalb so arbeiten, daß die mittlere/effektive Lastspannung auf eine Größe gesteuert wird, die kleiner als die der Quelle 12 ist.

Die Lastspannungssteueranordnung 10 enthält eine Leistungsschalteinrichtung 14, die eine Eingangssteuerklemme 14a zum Steuern des Verbindens der Lastanschlußklemmen 14b und 14c miteinander und mit einem gemeinsamen Schaltungspotential an einer LeistungsBchaltcinrichtungsklemme 14d hat. Die Leistungsschalteinrichtungsklemmen 14b und 14c sind einzeln mit der zugeordneten Klemme 10b der zweiten Phasenklemme L2 bzw. mit der Lastanschlußklemme 10c verbunden. Die Leistungsschalteinrichtung 14 enthält eine erste und eine zweite Schalteinrichtung 16a bzw.16b, die Primärstromleitungsschaltungen haben, welche durch das Signal an dem Steuereingang 14a steuerbar sind, um die Klemme 14c oder 14b mit der gemeinsamen Schaltungsklemme 14d zu verbinden. Die Leistungsschalteinrichtung 14 enthält außerdem zwei in einer Richtung leitende Vorrichtungen 18a und 18b, die jeweils parallel an die Primärleitungsschaltung der zugeordneten gesteuerten Schaltvorrichtung 16a bzw. 16b angeschlossen und so gepolt sind, daß Strom von der gemeinsamen Potentialklemme 14d zu der zugeordneten Hauptleitungsklemme 14c bzw. 14b fließen kaiin. Die Schaltvorrichtungen 16a und 16b können aus einem großen Bereich von regenerativen und gesteuert sperrenden Vorrichtungen ausgewählt werden, von denen viele Vorrichtungen, wie beispielsweise IG-Transistoren (IGTs), IG-Gleichrichter (IGRs), Leistungs-MOSFETs und dgl., eine in Sperrrichtung gepolte Diode 18 haben, die an ihren gesteuert leitenden Schaltungen als ein parasitäres Element gebildet ist. Daher kann allgemein die Leistungsschalteinrichtung 14 aus zwei Leistungsschaltvorrichtungen bestehen, deren Nenndaten so bemessen sind, daß sie bei den inittle-

- V-

ren Spannungen und Strömen ständig arbeiten, die Spitzen- !•.piinnunqcn und -.ströme für die besondere LaKt aushalten !'.filmen uikJ MfI ι i <'b:;kennda I en Imben, die (inn zufiiii y. 1 j eben He t.ri eb.sei n/.e.l hej ten entsprechen, welche im ioltjenden beschrieben sind.

Das Leistungsschalteinrichtungssteuersignal an dem Eingang 14a wird so gebildet/ daß eine der Schalteinrichtungen 16a oder 16b nur für einen Teil einer zugeordneten Halbperiode der Wellenform der Quelle 12 leitet. Die Zeit, zu der die eine oder die andere Schaltvorrichtung 16a oder 16b eingeschaltet ist und den Strom leitet, und die Zeit, zu der diese leitende Vorrichtung abgeschaltet wird, damit sie keinen Strom leitet, werden durch das Signal an dem Ausgang 20a einer Schaltzeitsteuereinrichtung 20 gesteuert. Vorteilhafterweise gibt die Schaltzeitsteuereinrichtung 20 den Ausgang 20a frei, wenn sie ein "Ein"-Freigabesignal an einem ersten EIN-Eingang 20b empfängt, und sperrt den Signalausgang 20a, wenn sie ein "Aus"-Freigabesignal an einem zweiten AUS-Eingang 20c empfängt. Eine Nulldurchgangsdetektoreinrichtung 22 hat einen ersten und einen zweiten Eingang 22a und 22b, die mit den Laststeueranordnungseingangsklemmen 10a bzw. 10b (und daher mit den Quellenphasenklemmen L₁ bzw. L„) verbunden sind, um einen Ausgangsimpuls an einem Detektoreinrichtungsausgang 22c bei jedem Nulldurchgang der Quellenspannungswellenform zu liefern, der in den Punkten 24a-24g der Quellenspannungs-V-„ _T„ -Wellenform 24 in Fig. 1a auftritt. Jeder Nulldurchgangsimpuls an dem Detektoreinrichtungsausgang 22c wird an den ersten EIN-Eingang 20b der Schaltzeitsteuereinrichtung 20 angelegt. Eine Abschaltsetzeinrichtung 26 liefert ein Signal an einem Ausgang 26a, das an den zweiten AUS-Eingang 20c der Schaltzeitsteuereinrichtung angelegt wird und mittels einer zugeordneten Steuereinrichtung 26b so eingestellt werden kann, daß es zu einer gewissen nominellen Zeit nach dem Auftreten jedes "Ein"-Impulses an dem ersten Schaltzeitsteuereinrichtungseingang 20b auftritt.

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Die Wirkung der Detektoreinrichtung 22 und der Abschaltsetzeinrichtung 26 in Verbindung mit der Schaltzeitsteuereinrichtung 20 besteht darin, daß der Zeitsteuereinrichtungsausgang 20a bei jedem Quellenwellenformnulldurchgang freigegeben und eine gewisse Zeit danach und vor dem als nächstem folgenden Quellenwellenformnulldurchgang gesperrt wird. In Abhängigkeit von den besonderen Leistungsschaltvorrichtungen 16, die benutzt werden, kann auf das Signal an dem Schaltzeitsteuereinrichtungsausgang 20a durch eine Einschaltansteuereinrichtung 28a und/oder eine Abschaltansteuereinrichtung 28b eingewirkt werden, um die richtigen Steuersignalspannungs-/-stromkenndaten an der Leistungsschalteinrichtungssteuereingangsklemme 14a zu erzeugen. Bei Bedarf kann die maximale Einschaltstromspitze der Last begrenzt werden oder die Leistungsschaltvorrichtungen können vor einer zu großen Verlustleistung geschützt werden, und zwar durch eine Strombegrenzungseinrichtung 30, die wenigstens einen Eingang 30a hat, der mit der Leistungsschalteinrichtung 14 verbunden ist, und einen Ausgang 30b, der mit einem Hilfsabschalteingang 2Od der Schaltzeitsteucreinrichtung verbunden ist. Wenn in der Leistungsschalteinrichtung 14 Halbleiterschaltvorrichtungen 16 benutzt werden, die während der Stromleitungszeitintervalle gesättigt bleiben sollten, kann die Einrichtung 30 die Rückwärtsphasenstromsteuereinrichtung gemäß der oben erwähnten weiteren Patentanmeldung sein, die dazu dient, den Schaltzeitsteuereinrichtungsausgang 20a abzuschalten (zu sperren), wenn die betreffende Schaltvorrichtung 16 die Sättigung verläßt. Obgleich es im folgenden ziemlich ausführlich beschrieben ist, sei angegeben, daß die Einschalt- und AusschaltansLeuoroinrichtungen 28a bzw. 28b ausführlicher in noch einer weiteren Patentanmeldung P 34 20 008 der Anmelderin erläutert sind, und daß die Schaltzeitsteuereinrichtung 20, die Nulldurchgangsdetektoreinrichtung 22 und die Abschaltsetzeinrichtung 26 alle ausführlicher in der oben erwähnten Patentanmeldung

erläutert sind.

Andere Ausführungsformen jeder dieser Einrichtungen, die sich von den in jeder der vorgenannten Anmeldungen beschriebenen unterscheiden, können benutzt werden.

Gemäß der Erfindung hat eine Lastspannungsabtasteinrichtung 32 einen Eingang 32a, der über die Anordnungseingangsklemiuc - 10ii mit der I⁵I)UnCMIkIOnImC" L₁ der Ι.ικΙ verbunden .ist , cI.hii i I • "ine AbLa;; Lprobe der Spannung V _Λ der Spannung zwischen

Jj I —C-

der Phasenkleiiime L₁ und dem gemeinsamen Schaltungspotential an einem Ausgang 32b geliefert werden kann, wenn ein Abtaststeuersignal an einem Steuereingang 32c anliegt. Der "Mittelwert" (die mittlere absolute Deviation oder MAD) oder der Effektivwert (root-inean-square oder RMS) der durch die Einrichtung 32 abgetasteten Lastspannung wird als das Ausgangssignal 32b abgegeben und an einen Lastspannungsabtasteingang 34a einer Differenzintegriereinrichtung 34 angelegt. Ein Referenzpotential V ^ wird an einen zweiten Eingang 34b der Differenzintegriereinrichtung angelegt. Das Signal an einem Ausgang 34c derselben, das sich als das Integral über der Zeit der Differenz zwischen der Abtastspannung V und der Referenzspannung V _ ändert, wird als eine Einstellspannung V ,. an einen Einstelleingang 2Oe

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der Schaltzeitsteuereinrichtung 20 angelegt.

Solange das Lastspannungsabtastsignal an dem Abtasteinrichtungsausgang 22c die gleiche Größe wie die Referenzspannung an dem Integriereinrichtungseingang 34b hat, beeinflußt die an den Schaltzeitsteuereinrichtungseingang 2Oe angelegte Einstellspannung das Einschalten und Abschalten der Leistungsschalteinrichtung 14 nicht. Wenn die Einrichtung 32 eine Lastspannung abtastet, die kleiner ist als die gewünschte Größe, wobei die gewünschte Größe durch die Größe der Referenzspannung an dem Integriereinrichtungseingang 34b eingestellt wird, nimmt die Größe der Einstellspannung an dem Schalteinrichtungseingang 20c zu, was bewirkt, daß das

Sifjn.il an dom Schal 1 v.v i I :;! cuitc i nrichl unc|!.-;nii£:cjaiKj 20a Γπ'ϊ-gegeben wird (wenn sich alle anderen AbschalLfaktoren, wie beispielsweise diejenigen, die durch die Einrichtung 26 und/oder 30, falls benutzt, gesetzt sind, nicht geändert haben), um für ein längeres Zeitintervall die tatsächliche Lastspannung zu vergrößern. Umgekehrt, wenn die Lastspannungsabtasteinrichtung 32 eine Lastspannung abfühlt, die größer ist als der Sollwert, der durch die Referenzspannung an dem Integriereinrichtungseingang 34b eingestellt ist, nimmt die Größe der Einstellspannung an dem Schaltzeitsteuereinrichtungseingang 2Oe ab, um das Zeitintervall zu verkleinern, während welchem der Schaltzeitsteuereinrichtungsausgang 20a freigegeben ist (wobei sämtliche anderen Abschaltfaktoren unverändert bleiben), um die Leistungsschalteinrichtung 14 zu veranlassen, den Stromleitungspfad nach einem kürzeren Zeitintervall zu unterbrechen, wodurch die Mittelwert/Effektivwert-Größe der Spannung an der Last 11 reduziert wird.

Diese Betriebsfolge ist für den "Mittelwert" (MAD)-Betrieb in den Fig. 1b und 1c dargestellt. In dem gewünschten Fall des Mittelwerts der Lastspannung (dargestellt durch die Wellenformen ganz links) wird der Nulldurchgang, z.B. ein positivgehender Nulldurchgang 24a in Fig. 1a,durch die Einrichtung 22 erkannt, was bewirkt, daß die obere Schaltvorrichtung 16a am Beginn der Halbperiode positiver Polarität der Quellenwellenform geschlossen wird. Daher ist die Phasenklemme L₁ gegenüber der Phasenklemme L₂ positiv, und die Diode 18b leitet, so daß die Phasenklemme L„ im wesentlichen auf dem gemeinsamen Schaltungspotential ist (unter der Annahme, daß der Vorwärtsleitungsspannungsabfall der Dioden 18 viel kleiner ist als die Scheitelgröße der Spannung der Quelle 12 wie in dem dargestellten Fall). Wenn die positive Spannung an der Phasenklemme L₁ ansteigt, fließt der Laststrom I_T von der Klemme L₁ durch die Last 11

L I

in die Klemme 10c und von dieser aus durch die geschlossene

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Schaltvorrichtung 16a und die in Durchlaßrichtung betriebene Diode 18b zu der anderen Phasenklemme L„. Der Laststrom I_x

Δ J_i

(Fig. 1c) hat einen sinusförmigen ansteigenden Wellenformteil 40a. Zu einer gewissen Abschaltzeit t.. nach der anfänglichen positivgehenden Nulldurchgangseinschaltzeit t_Q (welche Abschaltzeit im stationären Zustand normalerweise durch die Abschaltsetzeinrichtung 26 festgelegt wird) wird das Signal an dem Schaltzeitsteuereinrichtungsausgang 20a gesperrt, und die obere Schalteinrichtung 16a wird veranlaßt zu öffnen, wodurch der Laststrom abrupt abfällt, was der Wellenformteil 40b des Laststroms I_T zeigt. Während des Teils 40c, der von der Quellenwellenformhalbperiode positiver Polarität verbleibt, bleibt der Laststrom im wesentlichen auf der Größe null. Die Spannung V_x _Λ „ zwischen der Phasenklemme L₁ und der gemeinsamen Schaltungsklemme ist während' eines ersten Teils 42a (Fig. 1b), während welchem der Laststrom vorhanden war, ebenfalls sinusförmig angestiegen. Selbst nachdem der Laststromfluß zur Zeit t. beendet ist, hört die Spannung zwischen der Lastklemme L-j und der gemeinsamen Schaltungsklemme nicht abrupt auf, was der gestrichelten Linie 42b¹ entsprechen würde, sondern folgt weiterhin der sinusförmigen Quellenspannungswellenform 24, was durch den Wellenformteil 42c der Spannung zwischen der Phasenklemme L₁ und der gemeinsamen Schaltungsklemme gezeigt ist, und zwar bis zu dem nächsten negativgehenden Nulldurchgang zur Zeit t_ . Bei diesem nächsten negativgehenden Nulldurchgang 24b (Fig. 1a) empfängt der Schaltzeitsteuereinrichtungseingang 20b einen weiteren Nulldurchgangsimpuls und gibt wieder den Ausgang 20a frei, um die geeignete Schaltvorrichtung der beiden Schaltvorrichtungen 16 freizugeben, das heißt die untere Schaltvorrichtung 16b. Während der Quellenwellenformhalbperiode negativer Polarität ist die zweite Phasenklemme L_ gegenüber der ersten Phasenklemme L. positiv, wodurch die obere Diode 18a in Durchlaßrichtung betrieben wird und sich die Steueranordnungsklemmc 10c im wesentlichem auf dem gomeins£imcn Potential befindet. Der l.aststrom I₁ fließt, von

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der Phasenklemme L„ durch die geschlossene Schalteinrichtung 16b und die in Durchlaßrichtung betriebene Diode 18a und über die Last 11 zu der Lastklemme L₁, was einem sinusförmigen, in negativer Richtung ansteigenden Teil 4Od entspricht (Fig. 1c). Zu einer gewissen Zeit t- danach, die durch die Abschaltsetzeinrichtung 26 bestimmt wird, wird der Schaltzeitsteuereinrichtungsausgang 20a gesperrt, was bewirkt, daß die untere Schalteinrichtung 16b öffnet und der Laststrom abrupt aufhört, was durch den Teil 4Oe des Laststroms I_ gezeigt ist, so daß der Laststrom im wesentlichen auf die Größe null geht und auf dieser Größe bleibt, was durch den Teil 40f gezeigt ist, und zwar bis zu der nächsten Nulldurchgangsfreigabe der Leistungsschalteinrichtung 14. Gleichzeitig folgt die Spannung V_T an der Last im wesentlichen der Spannung V_T _Λ „ zwischen der Phasenklemme

Lj I —C

L₁ und der gemeinsamen Schaltungsklemme und beginnt, in der negativen Richtung sinusförmig anzusteigen, was durch den Wellenformteil 42d dargestellt ist. Wenn die untere Schaltvorrichtung 16b geöffnet und der Stromfluß beendet wird, fällt die Lastspannung V=^xI_T im wesentlichen auf null ab (Teil 42e); da die Spannung an der Klemme 10c noch um einen Diodenspannungsabfall unter dem gemeinsamen Schaltungspotential ist, wird die Spannung an der Phasenklemme L₁ zwangsläufig auf: die Spannung an der Klemme 10c gebracht und nimmt daher abrupt ab (Teil 4 2c), so daß die Spannung V₁ zwisehen der Phasenklemme L₁ und der gemeinsamen Schaltungsklemme im wesentlichen auf der Größe null bleibt (Teil 42f), und zwar für den übrigen Teil der Quellenwellenformhalbperiode negativer Polarität. Daher steht die mittlere Lastspannung in Beziehung zu der Summe der Flächen 44a und 44b unter den Spannungswellenformteilen 42a bzw. 42d; die Integration der Spannung V₁. _Λ „ zwischen der Phasenklemme L₁ und der gemeinsamen Schaltungsklemme von der Zeit t_Q bis zur Zeit t.. und von der Zeit t ~ bis zu der Zeit t ergibt die Mittelwert-Lastspannungsgröße. Da die Abschaltzeiten t₁ und t in diesem normalen Betriebsfall durch die Einrichtung 26 so gesteuert werden, daß sie im wesentlichen gleich

-w-

sind, würde jede Integration der Flächen darunter über einer vollen Periode den Mittelwert null ergeben und einen Integrator erfordern, welcher einen Ausgang hat, der zu Auswanderungen sowohl in Richtung positiver als auch in Richtung negativer Polarität in der Lage ist. Zum Vereinfachen der Schaltung, für beispielsweise nur Ausgangsspannungen positiver Polarität der Integriereinrichtung 34, ist zu erkennen, daß die gekrümmten Teile 42a und 42d im wesentlichen symmetrisch sind und daß die Flächen 44a und 44b im wesentlichen gleich sind, wodurch nur eine der Flächen, das heißt die Fläche 44a während der Quellenwellenformhalbperiode positiver Polarität und bei leitender oberer Schaltvorrichtung 16a integriert wird, um die mittlere Lastspannungsgröße zu bestimmen. Eine Referenzspannung positiver Polarität an dem Eingang 34b kann nun gleich der gewünschten mittleren Spannung an dem Ausgang 32c der Abtasteinrichtung gemacht werden, und das Zeitintegral der Differenz zwischen der abgetasteten Spannung an dem Augang 32 und der Referenzspannung hat im wesentlichen die Größe null, wodurch die Einstellspannung an dem Ausgang 34c ebenfalls eine im wesentlichen feste Größe hat; keine Änderung dieser Größe erfolgt, solange die mittlere Lastspannungsgröße konstant bleibt und keine Änderung in der Sperrzeit des Schaltzeitsteuereinrichtungsausgangs 20a auftritt.

In dem Fall, der durch die mittlere Schar von Wellenformen dargestellt ist, siiid die Zeiten t, und t. nach deren entsprechender positivgehender Nulldurchgangszeit t* und der entsprechenden negativgehenden Nulldurchgangszeit t_Q größer als die entsprechenden Zeiten t.. und t_ in dem gewünschten Lastspannungsfall (links). Die sinusförmig ansteigenden Wellenformtei-Ie 40a' und 4Od¹ positiver bzw. negativer Polarität sind für ein längeres Zeitintervall vorhanden, wodurch der Spitzenlaststrom I₁. größer ist als in dem Fall der gewünschten Spannung, und die Spitzenspannung an dem Ende der zugeordneten

Spannungswellenformteile 42a¹ und 42d' ist ebenfalls größer als die Spitzenspannung am Ende der Stromleitungsintervalle in dem Fall der gewünschten Spannung. Deshalb sind die gleichen Flächen 44a' und 44b¹ unter der Spannungskurve größer, und die integrierte Fläche 44a' der Halbperiode positiver Polarität wird nach dem Vergleich mit der Referenzspannung, die für die gewünschte Lastspannungsmittelwertgröße und die anschließende Integration eingestellt ist, eine Einstellspannung V , . an dem Integriereinrichtungsausgang 34c und dem Schaltzeitsteuereinrichtungseingang 2Oe ergeben, deren Größe kleiner ist als die der Einstellspannung, die in dem Fall geliefert wird, in welchem die abgetastete mittlere Lastspannung gleich der Referenzspannung ist, wie es oben beschrieben worden ist. Diese kleinere Spannung an dem Eingang 2Oe verkleinert die Zeit nach der Zeit, zu der ein Nulldurchgangsimpuls an dem ersten EIN-Eingang 20b erscheint, zu der der Ausgang 20a gesperrt wird, in Zusammenwirkung mit der Abschaltsetzeinrichtung 26, aber unabhängig von einem Abschaltsignal aus der Strombegrenzungseinrichtung 30, wobei dieses Abschaltsignal aus der Einrichtung 30 früher oder später als das Abschaltsignal aus den Einrichtungen 32, 34 und 26 in dieser Quellenwellenformperiode auftreten kann. Die Einrichtungen 32 und 34 bewirken, daß in der nächsten Quellenwellenformperiode die Schaltzeitsteuereinrichtung den Laststrom zu Zeiten abschaltet, die mit dem Bezugszeichen 4Ox (für die Halbperiode positiver Polarität) und mit dem Bezugszeichen 4Oy (für die Halbperiode negativer Polarität) bezeichnet sind, um die Zeit (während welcher der Laststrom fließt und eine Spannung an der Last vorhanden ist) um einen Faktor At zu verringern und so die mittlere Lastspannungsgröße zu verringern. Wenn die Verringerung At der Laststromleitungszeit nicht groß genug ist, wird die integrierte Differenz zwischen der Lastspannungsabtastprobe und der Referenzspannung in einer nächsten folgenden Quellenwellenformperiode die Einstellspannung an dem Schaltzeitsteuer-

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einrichtungseingang 22d ändern, um eine größere Verringerung der Stromleitungszeit zu bewirken und so die Mittelwertgrösse der Lastspannung weiter zu verringern, wobei diese Grösse in folgenden Perioden weiterhin verringert wird, bis die abgetastete mittlere Lastspannungsgröße an dem Integriereinrichtungseingang 34a gleich der Referenzspannungsgröße an dem Eingang 34b ist.

Ebenso werden gemäß der Darstellung in den rechten Teilen der Fig. 1b und 1c, wenn der Laststrom zu den Zeiten t_g und t, abschaltet, die kleiner sind als die erforderlichen Zeiten t₁ und t„ nach den positivgehenden und negativgehenden Nulldurchgangszeiten t_Q bzw. t , die Laststromteile 40a¹¹ und 4Od¹' eine kleinere Größe erreichen, was auch für die Teile 42a¹' und 42d"' der abgetasteten Spannungsgröße gilt, so daß sich darunter kleinereFlächen 44a¹' und 44b¹' ergeben. Der Spannungsteil 42a¹¹ der abgetasteten Quellenwellenformhalbperiode positiver Polarität ergibt, wenn er mit der Referenzspannung verglichen und integriert wird, einen größeren Wert der Einstellspannung V ,. an dem Schaltzeitsteuereinrichtungseingang 2Oe, der größer ist als der nominelle Wert derselben, was bewirkt, daß die Abschaltsetzeinrichtung 26 den Schaltzeitsteuereinrichtungsausgang 20a während der nächsten folgenden Quellenwellenformperiode für eine zusätzliche Zeit £kt' nach den Zeiten t,- und t_fi freigegeben hält, zu denen die Abschaltsetzeinrichtung 26 das Sperren des Zeitsteuereinrichtungsausgangs 20a bewirkt hätte, wenn diese Einstellspannung V , . auf dem nominellen Wert gewesen wäre. Daher fließt weiterhin Strom während eines zusätzlichen Teils des Teils 4 2c" bis zum Abschalten an dem Teil 40b , und die Lastspannungsabtastprobe setzt sich bis zu der Zeit t^ + Af fort und endet an dem als gestrichelte Linie gezeigten Teil 42b . Die Lastspannungsmittelwertgröße nimmt daher zu und steigt in folgenden Quel]enwellenformperioden weiterhin an, bis die abyelur.Le Le Sp^mnung im wesentlichen gleich der Referenz-

spannung ist und die Einstellspannung aufhört sich zu ändern.

Auf die vorstehend beschriebene Weise wird die Mittelwertgröße der Lastspannung auf einen Mittelwert gesteuert, der durch die Größe der Referenzspannung V ~ festgelegt wird, die an den Differenzintegriereinrichtungseingang 34b angelegt wird.

Eine gegenwärtig bevorzugte Ausfuhrungsform der Anordnung zum Steuern der Mittelwertgröße der Lastspannung ist in Fig. 2 gezeigt. Eine Anzahl unterschiedlicher Ausführungsformen für die Leistungsschalteinrichtung 14 ist möglich: Leistungsfeldeffekttransistoren 44, wie sie in Fig. 3 gezeigt sind, bipolare Leistungstransistoren, IG-Gleichrichter (IGRs), IG-Transistoren (IGTs), wie sie in Fig. 2 gezeigt sind, und ähnliche gesteuerte Abschaltvorrichtungen können benutzt werden. In den dargestellten Ausführungsformen, in denen ein Rückwärtsphasensteuerschema lediglich zu Erläuterungszwecken benutzt wird, kann die Leistungschalteinrichtung aus irgendeiner Einrichtung bestehen, die eingeschaltet werden kann, um einen Wechselstrom zu leiten,und anschließend abgeschaltet werden kann, um das Leiten dieses Stroms zu beenden, und zwar mit einer von null verschiedenen Spannung an dieser Einrichtung und mit einem durch diese Einrichtung fließenden und von null verschiedenen Strom. Demgemäß weist die in Fig. 2 dargestellte Leistungsschalteinrichtung 14 zwei IGTs 16a und 16b auf, deren Kollektor-Emitter-Stromleitungskanäle in Reihe zwischen die Schalteinrichtungseingangsklemmen 14b und 14c geschaltet sind und deren Steuerelektrode^ (Gate-Elektroden) parallel an den Steuereingang 14a angeschlossen sind. Jede der IGT-Sourceelektroden ist mit der gemeinsamen Schaltungsklemme 14d verbunden, was auch für die Anoden der Rückwärtsleitungsdioden 18a und 18b gilt, die zu den gesteuerten Stromleitungskanälen jeder zugeordneten Vorrichtung 16a bzw. 16b parallel geschaltet sind.

• η-

Die Nulldurchgangsdetektoreinrichtung 22 wird in den Ausführungsformen nach den Fig. 2 und 3 benutzt. Der erste Detektoreingang 22a ist über einen Begrenzungsreihenwiderstand 50 mit dem nichtinvertierenden Pluseingang 52a eines ersten Komparators 52 verbunden. Der zweite Nulldurchgangsdetektoreingang 22b ist über einen weiteren Begrenzungswiderstand 54 mit einem invertierenden Minuseingang 52b des !Comparators verbunden. Eine erste und eine zweite Schutzdiode 56a bzw. 56b sind an ihren Anoden mit dem gemeinsamen Schaltungspotential und an ihren Katoden mit dem zugeordneten Komparatoreingang 52a bzw. 52b verbunden. Ein zweites Paar Schutzdioden 56c und 56d sind an ihren Katoden jeweils mit einem positiven Betriebspotential +V und an ihren Anoden jeweils mit dem zugeordneten Komparatoreingang 52a bzw. 52b verbunden. Das Betriebspotential +V wird einer Quelle 58 entnommen, die eine Kapazität 58a enthält, welcher eine Z-Diode 58b parallel geschaltet ist, die eine Zenerspannung von +V Volt hat; wenn die Eingangsklemme L- gegenüber der gemeinsamen Schaltungsklemme positiv ist und eine Größe hat, die etwas größer ist als +V Volt, fließt Strom durch den Widerstand 54 und die in Durchlaßrichtung betriebene Diode 56d, um die Kapazität 46 auf die maximale Spannung +V aufzuladen, die durch die Z-Diode 48 festgelegt ist. Ebenso fließt Strom, wenn die Klemme L.. gegenüber der gemeinsamen Schaltungsklemme positiv ist, durch den Widerstand 50 und die Diode 56c, um den Kondensator 47 aufzuladen.

Bei jedem Nulldurchgang der Spannung zwischen den Klemmen L₁ und L„ ändert die Spannung an einem ersten Komparatorausgang 56c abrupt ihre Amplitude. Diese Amplitudenänderung wird direkt an einen ersten Eingang 60a eines Exklusiv-NOR-Gatters 60 angelegt, das eine verzögerte Version der Amplitudenänderung an seinem anderen Eingang 60b durch die Wirkung einer Verzögerungsschaltung 62 empfängt (die ihrerseits einen Reihenwiderstand 62a und eine Parallelkapazität 62b enthält). Daher sind bei

jedem Eingangsspannungswellenformnulldurchgang die Eingänge 60a und 60b des Gatters 60 für eine kurze Zeit, die von der durch die Verzögerungsschaltung 62 hervorgerufenen Verzögerung abhängig ist, auf unterschiedlichen Amplituden, und der Gatterausgang 60c ändert sich von einem höheren Ruhespannungswert auf einen niedrigeren Spannungswert, was aufgrund des Nulldurchgangs einen Impuls ergibt. Dieser Impuls wird an dem Nulldurchgangsdetektorausgang 22c an den ersten EIN-Eingang 20b der Schaltzeitsteuereinrichtung abgegeben.

In der Schaltzeitsteuereinrichtung 20 wird ein als integrierte Schaltung ausgebildeter Taktgeber benutzt, wie beispielsweise die integrierte Standard schaltung 7555 od.dgl. Der als integrierte Schaltung ausgebildete Taktgeber 62 empfängt das Betriebspotential V an einer Klemme 62-8 gegenüber dem gemeinsamen Schaltungspotential an einer weiteren Klemme 62-1. Die Triggereingangsklemme 62-2 ist mit dem ersten EIN-Eingang 20b der Schaltzeitsteuereinrichtung verbunden und empfängt die negativgehenden Nulldurchgangsimpulse aus der Nulldurchgangsdetektoreinrichtung 22. Auf jeden negativgehenden Impuls hin, der an den Eingang 20b angelegt wird, wird eine Ausgangsklemme 62-3, die mit dem Einrichtungsausgang 20a verbunden ist, auf einen höheren Ausgangsspannungswert gesetzt. Eine Schwellenwertklemme 62-6 und eine Entladungsklemme 62-7 sind parallel an den zweiten AUS-Eingang 20c der Schaltzeitsteuereinrichtung parallel angeschlossen, wogegen eine Einstellklemme 62-5 mit dem mit ADJ bezeichneten Eingang 2Oe der Schaltzeitsteuereinrichtung verbunden ist. Die Abschaltsetzeinrichtung 26 enthält eine Zeitsteuerkapazität 64, die zwischen den Ausgang 26a, der seinerseits mit dem Schaltzeitsteuereinrichtungseingang 20c verbunden ist, und Masscpotential geschaltet ist, und einen Zeitsteuerwiderstand 66, der zwischen das Betriebspotential +V und den Abschaltsetzeinrichtungsausgang 26a geschaltet ist. Wenn der Widerstand 66 variabel ist, was durch den gestrichelten

Pfeil gezeigt ist, dient das so gebildete Potentiometer als verstellbare Abschalteinstelleinrichtung 26b. Beim Empfang des negativgehenden Impulses an dem Eingang 20b löst daher die Entladungsklemme 62-7 die Abschalteinstelleinrichtungsklemme 26a von dem Massepotential, und die Spannung daran beginnt, exponentiell auf die Betriebsspannung +V anzusteigen; wenn die Spannung an den Klemmen 26a und 26c die Schwellenspannung erreicht, die für die Klemme 62-6 eingestellt ist (wobei die Schwellenspannung von der Spannung an der ADJ-Klemme 62-5 abhängig ist), wird die Taktgeberausgangsklemme 62-3 gesperrt und auf einen niedrigeren Spannungswert zurückgebracht, wodurch der Schaltzeitsteuereinrichtungsausgang 20a gesperrt wird.

Die Ansteuereinschalteinrichtung und die Ansteuerabschalteinrichtung sind zu einer einzigen Ansteuer-Ein/Aus-Einrichtung 28 zusammengefaßt, was ausführlicher in der oben erwähnten Patentanmeldung P 34 20 008 erläutert ist. Die

Ansteuereinrichtung 28

enthält ein in einer Richtung leitendes Element in Form einer Diode 68, die so gepolt ist, daß sie leitet, wenn der Ansteuereinrichtungseingang 28a (der mit dem Schaltzeitsteuereinrichtungsausgang 20a verbunden ist) auf einem höheren Spannungswert ist. Deshalb wird bei jedem Quellenwellenformnulldurchgang der höhere Spannungswert über die leitende Diode 68 an die Ansteuereinrichtungsausgangsklemme 28b und die Steuereingangsklemme 14a der Leistungsschalteinrichtung angelegt, wodurch diejenige der Schaltvorrichtungen 16a, 16b eingeschaltet wird, die dann ein positives Potential an ihrem Drainanschluß hat (in Abhängigkeit von der Polarität der Wellenformhalbperiode der Quelle, die an die Phasenklemmen L und L» angeschlossen ist). Wenn der Spannungwert an dem Schaltzeitsteuereinrichtungsausgang 20a abfällt,

steigt die Spannung an dem Ausgang eines Inverters 70 an und schaltet einen ersten Transistor 72 über eine Vorspannungsschaltung 74 ein (die zwei Widerstände 74a und 74b und eine Temperaturkompensationsdiode 74c enthält), welche zwischen den Inverterausgang, die Basis des Transistors 72 und Massepotential geschaltet ist. Die Emitterelektrode des Stromquellentransistors 72 ist über einen Stromeinstellwiderstand 76 mit dem gemeinsamen Potential verbunden, und seine Kollektorelektrode ist sowohl mit der Basiselektrode eines zweiten Transistors 78 entgegengesetzter Polarität als auch mit einer Klemme einer Ladekapazität 80 verbunden, deren andere Klemme mit dem gemeinsamen Schaltungspotential verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 78 ist mit dem Ansteuereinrichtungseingang 28a verbunden, wogegen die Emitterelektrode dieses Transistors mit dem Ansteuereinrichtungsausgang 28b verbunden ist. Die Verbindung zwischen der Emitterelektrode des Transistors 72 und dem Stromeinstellwiderstand 76 ist jeweils mit einer Klemme von zwei Widerstandselementen 82a, 82b verbunden, deren andere Klemme jeweils über eine Kapazität 84a bzw. 84b mit der ersten bzw. zweiten Abschaltsteuerklemme 28c bzw. 28d verbunden ist. Die Klemmen 28c und 28d sind jeweils mit der zugeordneten Phasenklemme 14c bzw. 14b der Leistungsschalteinrichtung verbunden, um die zeitliche Änderung der an ihr anliegenden Augenblicksspannung abzufühlen. Die Ansteuereinrichtung 28 sorgt daher für ein im wesentlichen augenblickliches Einschalten der Leistungsschalteinrichtung 14 und für "sanftes" Abschalten der Leistungsschalteinrichtung 14, was ausführlicher

P 34 20 008 in der vorgenannten weiteren Patentanmeldung / erläutert ist.

Das "sanfte" Abschalten der Leistungsschaltvorrichtungen wird benutzt, um akzeptable Werte des über das Netz gehenden elektromagnetischen Brumms und des Spannungsüberschwingens bei typischen Werten der Netzinduktivität zu erzielen und so die Notwendigkeit von Filtern,Snubbern und dgl. zu vermeiden; die Verwendung einer schnell einschaltenden und langsam ab-

3 A k 5 2 9 6 •28·

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schaltenden Ansteuerschaltung braucht in einem besonderen Anwendungsfall nicht nötig zu sein und ist hier nur zu Erläuterungszwecken beschrieben und daher nicht in einschränkendem Sinne zu verstehen.

Wenn die Strombegrenzungseinrichtung 30 benutzt wird, wird jeder der beiden Eingänge 30a-1 und 30a-2 derselben mit einer der Leistungsschalteinrichtungsphasenklemmen 14b bzw. 14c verbunden. Der Durchlaßspannungsabfall an der leitenden Leistungsschaltvorrichtung 16a oder 16b, der an der zugeordneten Eingangsklemme 30a-1 oder 30a-2 auftritt, wird an einen invertierenden Minuseingang 86a eines weiteren Komparators 86 über einen zugeordneten Strombegrenzungswiderstand 88a oder 88b angelegt. Der invertierende Eingang 86a ist außerdem mit der Anode einer Schutzdiode 90 verbunden, deren Katode das positive Betriebspotential +V empfängt, so daß die Spannung an dem Komparatoreingang 86a niemals das Betriebspotential +V wesentlich überschreitet, selbst wenn die Spannung an einer der Schaltvorrichtungen 16a, 16b eine Größe hat, die die Größe +V des Betriebspotentials übersteigt. Ein nichtinvertierender Pluseingang 86b des zweiten Komparators 86 ist mit einem festen Abschaltreferenzpotential verbunden, und zwar an der gemeinsamen Verbindung zwischen zwei Spannungsteilerwiderstandselementen 92a und 92b, die in Reihe zwischen das Betriebspotential +V und das gemeinsame Schaltungspotential geschaltet sind. Ein zweiter Komparatorausgang 86c ist mit dem Strombegrenzungseinrichtungsausgang 30b und mit einer ersten wählbaren Klemme 94a einer Wähleinrichtung 94 verbunden. Die verbleibende wählbare Klemme 94b derselben ist mit dem Betriebspotential +V verbunden, wogegen die gemeinsame Klömme 9 4c mit dem Schaltzeitsteuereinrichtungshilfseingnng 2Od verbunden ist. Die Wähleinrichtung 94 kann ledig-

lieh aus einer Schaltdrahtverbindung 96d bestehen, die •/wischen der gemeinsamen Klemme 94c und dor ersten wähl bat en Klemme LMa angeordnet .ist (wie durch die mit ausgezogener Linie dargestellte Verbindung gezeigt), wenn die Strombegrenzungseinrichtung benutzt wird, oder kann fest zwischen die zweite wählbare Klemme 94b und die gemeinsame Klemme 94c geschaltet sein (wie durch die gestrichelte Verbindung gezeigt), um das Betriebspotential +V ständig an die Klemme 62-4 des als integrierte Schaltung ausgebildeten Taktgebers 62, anzulegen. Die Einrichtung 30 arbeitet so, daß, wenn eine der Schaltvorrichtungen 16a, 16b richtig gesättigt ist, die Spannung an dem zweiten Komparatoreingang 86a kleiner ist als das Referenzpotential, das an der Verbindung der Referenzteilerwiderstände 92a und 92b vorhanden ist, wodurch die Spannung an dem Komparatorausgang 86c und deshalb an der Klemme 62-4 des als integrierte Schaltung ausgebildeten Taktgebers im wesentlichen auf dem Wert des Betriebspotentials +V ist, was gestattet, die Abschaltzeitsteuerung des Signals an dem Steuereingang 14a der Leistungsschalteinrichtung durch die Abschaltsetzeinrichtung 26 und das Signal V ,. an dem Eingang 2Oe zu steuern. Immer dann, wenn der Durchlaß- oder Vorwärtsleitungsspannungsabfall der leitenden Schaltvorrichtung 16a oder 16b eine Größe hat, die eine Eingangsspannung ergibt, welche das feste Referenzpotential übersteigt, das durch die Widerstände 92a und 92b eingestellt ist, ändert der Komparatorausgang seinen Zustand und fällt auf eine relativ niedrige Spannung ab, und dieser Zustand niedriger Spannung an der Klemme 62-4 des als integrierte Schaltung ausgebildeten Taktgebers 62 setzt den Schaltzeitsteuereinrichtungsausgang 20a auf den Zustand relativ niedriger Spannung oder gesperrten Zustand zurück, wodurch das Ansteuersignal von der Leistungsschal teinrichtung 14 entfernt und diese abgeschaltet

wird. Bei einer Last 11, die beim Anlauf einen niedrigeren Widerstand gegenüber dem normalen "heißen" Betriebswiderstand hat, erfolgt daher das Rücksetzen des Schaltzeitsteuereinrichtungsausgangs 20a relativ bald nach dem Setzen desselben, und zwar wegen der hohen Einschaltstromspitze beim ersten Einschalten, und das Zeitintervall zwischen dem Setzen und dem Rücksetzen des Ausgangs 20a wird allmählich zunehmen, wenn die Größe des Widerstands R₁ der Last 11 mit der Zeit zunimmt, wenn sich die Last stationären Bedingungen nähert.

Wenn die stationären Bedingungen erreicht sind und die Strombegrenzungseinrichtung 30 benutzt wird oder nach der Schaltungsfreigabe bei dem Schließen des Schalters S, wenn die Einrichtung 30 nicht benutzt wird, beeinflussen die Lastspannungsabtasteinrichtung 32 und die Differenzintegriereinrichtung 34 den Betrieb der Schaltzeitsteuereinrichtung 20 gemäß einem Prinzip der Erfindung. Die Lastspannungsabtasteinrichtung 32 enthält eine Spannungsteilereinrichtung 100, welche einen Reihenwiderstand 100a enthält, der zwischen den Abtasteinrichtungseingang 32a und eine gemeinsame Abtastverbindung 100b geschaltet ist, und ein zweites Teilerwiderstandselement 100c, das zwischen die gemeinsame Teilerausgangsverbindung 100b und das gemeinsame Schaltungspotential geschaltet ist. Die Spannungsteilereinrichtung 100 dient zum Dämpfen der verketteten Scheitelspannungsgröße auf eine Spannungsgröße, die zur Verwendung bei einer Festkörperschaltung, insbesondere einer integrierten Schaltung, die in der Differenzintegriereinrichtung 34 benutzt wird, geeignet ist. Wie oben beschrieben wird die Lastspannung nur während desjenigen Teils eines Halbperiodenteils bestimmter Polarität der Qucllonwellenform, z.B. positiver Polarität, und nur während dieses Teils abgetastet, wenn eine der Leistungs- :;rhal. tvorr j chtungen, /..B. die obere Leistunqsr.cha.1 i vorr i Hituncj 1Ga, im leitenden Zustand ist. Ein erste:; in eiru τ Richtung leitendes Element 102, z.B. eine Halbleiterdiode,

3A4!)2i)G

- JA —

■ 2A-

ist zwischen den gemeinsamen Spannungsteilerverbindungsausgang 10Ob und das gemeinsame Schaltungspotentioal geschaltet und so gepolt, daß es während der Quellenwellenformhalbperiode nichtgewählter Polarität leitet; in dem dargestellten Beispiel befindet sich die Anode der Diode 102 auf dem gemeinsamen Schaltungspotential, und die Katode ist mit dem Abtastspannungsteilerausgang 100b verbunden, so daß die Diode 102 im wesentlichen während der gesamten Halbperiode negativer Polarität der Quellenwellenform leitet und im wesentlichen einen Kurzschluß von dem Referenzspannungsteilerausgang 100b zu dem gemeinsamen Schaltungspotential bildet. Auf diese Weise wird der Lastspannungsabtasteinrichtungsausgang 32b während der nichtgewählten Quellenwellenformhalbperiode zwangsläufig im wesentlichen auf dem Wert null gehalten. Ein zweites in einer Richtung leitendes Element 104, z.B. eine weitere Halbleiterdiode, ist zwischen den Abtastspannungsteilerausgang 100b und den zweiten Abtasteinrichtungseingang 32c geschaltet, der seinerseits mit dem Schaltzeitsteuereinrichtungsausgang 20a verbunden ist; die maximale Größe der abgestasteten Spannung an dem Abtastspannungsteilerausgang 100b wird eingestellt durch Wählen der Widerstände 100a und 100c, und zwar derart, daß sie niemals den höheren (die Leistungsschalteinrichtung freigebenden) Wert an dem Schaltzeitsteuereinrichtungsausgang 20a übersteigt, so daß die Diode 104 immer dann in Sperrichtung betrieben wird, wenn der Schaltzeitsteuereinrichtungsausgang 20a auf dem höheren Spannungswort zum Freigeben des Leitons einer der Leistungsschaltvorrichtungen 16 ist, und die Diode 104 wird in Durchlaßrichtung betrieben, wenn die Spannung an dem Schaltzeitsteuereinrichtungsausgang 20a auf einen niedrigen Wert, z.B. im wesentlichen auf den Spannungswert des gemeinsamen Schaltungspotentials, abfällt, um die Leistungsschaltvorrichtungen abzuschalten. Daher bildet die leitende, in Durchlaßrichtung betriebene, d.h. vorwärts vorgespannte Diode 104 im wesentlichen einen Kurzschluß an dem Abtast-

. 3a-

einrichtungsausgang 32b immer dann,wenn die Leistungsschalteinrichtung abgeschaltet ist. Wenn die Leistungsschalteinrichtung 14 durch einen höheren Spannungswert an dem Schaltzeitsteuereinrichtungsausgang 20a am Beginn jeder Halbperiode positiver Polarität der Quellenwellenform freigegeben ist, werden die Dioden 102 und 104 in Sperrrichtung betrieben, d.h. sind rückwärts vorgespannt, und die Spannung V an dem Abtasteinrichtungsausgang 32b steigt proportional zu der Zunahme der Lastspannung V an. Zu der Zeit während der Quellenwellenformhalbperiode positiver Polarität, zu der die Leistungsschalteinrichtung durch das Erscheinen eines niedrigeren Spannungswertes an dem Schaltzeitsteuereinrichtungsausgang 20a abgeschaltet wird, wird die Diode 104 in Durchlaßrichtung betrieben und zieht die Spannung an dem Lastspannungsabfühloinrichtungsausgang 32b im wesentlichen auf das gemeinsame SchaltungspotcnLial, und /war bis zum Ende der Quellenwell cnformhalbperiode positiver Polarität. Während der Quellenwellenformhalbperiode negativer Polarität wird die Diode 104 in Sperrichtung betrieben, aber die Diode 102 wird in Durchlaßrichtung betrieben und zwingt die Spannung an dem Lastspannungsabtasteinrichtungsausgang 32b weiterhin im wesentlichen auf den Spannungswert des gemeinsamen Schaltungspotentials (null). Daher ist die abgetastete Spannung V während der Spannungsteile 42a und 42b (Fig. 1b)

^s +
zwischen der Zeit t_o und der Zeit t.. auf einem von null verschiedenen Wert und für den gesamten übrigen Teil der Periode im wesentlichen auf dem Wert null.

Die Diffcrcnzintegricreinrichtung 34 wird mit einer Referenzspannungseinstelleinrichtung 106 benutzt, die einen ohmschen Spannungsteiler enthält, der aus zwei in Reihe geschalteten Widerstandselementen 106a und 106b besteht, welche in Reihe zwischen das Betriebspotential +V der Quelle und das gemeinsame Schaltungspotential geschaltet sind und

einen Ausgang 106d an der gemeinsamen Verbindung zwischen ihnen haben, an welchem das Referenzpotential V _f an den Referenzspannungseingang 34b der Differenzintegriereinrichtung angelegt ist. Die Differenzintegriereinrichtung 34 selbst enthält einen Differenzeingangsoperationsverstärker 108, der einen invertierenden Minuseingang 108a hat, welcher über einen Integrationswiderstand 110 mit dem ersten Eingang 34a der Integriereinrichtung verbunden ist. Ein nichtinvertierender Pluseingang 108b ist direkt mit dem Integriereinrichtungsreferenzspannungseingang 34b verbunden. Ein Integrationskapazitätselement 112 ist zwischen den invertierenden Eingang 108a und den Operationsverstärkerausgang 108c geschaltet, welch letzterer über einen Widerstand 114 mit dem Integriereinrichtungsausgang 34c und von diesem aus mit dem ADJ-Eingang 2Oe der Schaltzeitsteuereinrichtung verbunden ist. Die Spannung an dem Operationsverstärkerausgang 108c ist das Zeitintegral der Differenz zwischen der abgetasteten Spannung V an dem ersten Eingang 34a und der Referenzspannung V _f an dem zweiten Eingang 34b. Die Verwendung der realen (nichtidealen) Dioden 102 und 104 bewirkt das Auftreten eines kleinen, aber nicht unbedeutenden Spannungsabfalls V in der Abtasteinrichtungsausgangsspannung V ', der in Fig. 1d gezeigt ist. Während des Laststromleitungsteils 40a-1 der Halbperiode positiver Polarität werden daher die Dioden 102 und 104 in Sperrrichtung betrieben, d.h. rückwärts vorgespannt. Der schnell abfallende Teil 40b-1 tritt noch auf, aber, weil eine reale (nichtideale) Diode 104 benutzt wird, fällt die Abtastspannung an dem Abtasteinrichtungsausgang 32b niemals auf null ab. Die Differenzintegriereinrichtung sieht deshalb einen zusätzlichen positiven Spannungsteil 122 während des übrigen Teils der Quellenwellenformhalbperiode positiver Polarität und einen zusätzlichen negativen Spannungsteil 123 mit der Größe eines Diodenspannungsabfalls während des Teils der Quellenwellenformhalbperiode negativer Polarität, während welchem die Diode 102 leitet. Es ist daher ein Kur-

-ν,. 3US296

-31t·

venteil 122 vorhanden und hat unter sich eine Fläche, die, wenn sie integriert wird, die Differenzintegriereinrichtungsausgangsspannung ändert. Es ist zu erkennen, daß die Teile 122' und 123' oder 122'· und 123¹¹ erscheinen, ob nun die Lastspannung größer als erwünscht ist (der mittlere Teil von Fig. 1d) oder niedriger als erwünscht (der rechte Teil von Fig. 1d), und eine Auswirkung auf die Lastspannungssteucrung haben.

Die Referenzspannung V _f kann durch richtige Wahl der Widerstandswerte der Elemente 106a und 106b eingestellt werden, von denen jedes verstellbar gemacht werden kann (oder es kann ein gesondertes Poteniometer 100c wie in Fig. 3 benutzt werden), um das Ändern und/oder genaue Einstellen der gesteuerten Lastspannungsgröße zu erleichtern. Die Spannung an dem Integratorausgang 108d liegt an einem Punkt an der Klemme 62-5 in einer ohmschen Spannungsteilerkette an, die sich zwischen den Taktgeberklemmen 62-8 und 62-1 erstreckt, wodurch die relativen Spannungen eingestellt werden, bei denen die Spannung an der Taktgeberausgangsklemme 62-3 durch die Spannungen an der Triggereingangsklemme 62-2 und der Schwellenwertklemme 62-6 freigegeben und gesperrt werden. Der Wert der Impulsspannung an der Triggerklemme 62-2 ist ausreichend groß, um den als integrierte Schaltung ausgebildeten Taktgeber 62 immer zu triggern und dessen Ausgang 20a freizugeben. Der Haupteffekt einer Änderung der Spannung an dem Integratorausgang 108c besteht darin, daß eine Änderung der Zeit nach jeder Nulldurchgangsfreigabe bewirkt wird, zu der die Abschaltsetzeinrichtung 26 den Taktgeberausgang 20a sperrt und bewirkt, daß der Laststrom I_ zu fließen aufhört, und so die Mittelwertgröße (MAD) der

Lastspannung steuert.

Wenn der abgetastete Spannungsteil ansteigt, wie es die größere Fläche unter dem Kurventeil 40a-1 (Fig. 1a) in bezug auf die Fläche unter dem Kurventeil 40a-1 tut, die

. 25-

Fläche, die integriert wird, wenn die abgetastete Spannung kleiner ist als der Referenzspannungswert 106', dann ergibt sich eine Verringerung der Spannung an dem Integratorausgang 108c (aufgrund der invertierten Wirkung des Integrators) , die die interne Referenzspannung des als integrierte Schaltung ausgebildeten Taktgebers hinsichtlich des Wertes reduziert, der an der Schwellenwertklemme 62-6 erforderlich ist, um den Schaltzeitsteuereinrichtungsausgang 20a zu sperren; da sich die Abschaltsetzeinrichtungsspannung exponentiell mit derselben Geschwindigkeit auflädt, wird die niedrigere Spannung an der Schwellenwertklemme 62-6 in kürzerer Zeit erreicht, was eine verringerte Laststromleitungsperiode und eine verringerte Mittelwertgröße der Lastspannung ergibt. Umgekehrt bewirkt in dem Fall niedriger Lastspannung (in dem rechten Teil der Fig. 1b-1d gezeigt) die verringerte Fläche unter dem abgetasteten Kurventeil 40a¹'-1, daß die Spannung an dem Integratorausgang 108c ansteigt. Die größere Spannung an der ADJ-Klemme 62-5 erhöht den Spannungswert, welcher an der Schwellenwertkleinme 62-6 zum Sperren des Schaltzeitsteuereinrichtungsausgangs 20a erforderlich ist; da die Spannung an dem Abschaltsetzeinrichtungsausgang 26a auf dieselbe Weise exponentiell ansteigt, ist ein längeres Zeitintervall nach dem den Ausgang 20a freigebenden Nulldurchgang erforderlich, bevor der Ausgang 20a gesperrt wird; der Laststrom fließt für ein längeres Zeitintervall, und die Lastspannung steigt an, um mit dem Kompensieren der niedrigen abgetasteten Lastspannung zu beginnen.

Wenn die Strombegrenzungseinrichtung 30 benutzt wird, setzt der Nichtsättigungszustand höherer Priorität, der durch die Einrichtung 30 erfaßt wird, den Schaltzeitsteuereinrichtungsausgang 20a zurück, um eine Beschädigung der Vorrichtungen der Leistungsschalteinrichtung 14 durch eine zu große Verlustleistung zu verhindern, selbst wenn die Spannung an dem Integratorausgang 108c eine längere Zeitspanne der Leistungsschalteinrichtungsfreigabe verlangt. In diesem Fall

wird die Lastspannung nicht langer gesteuert und fällt schnell ab, so daß die Last 11 und auch die Leistungsschalteinrichtung 14 durch den Betrieb der Stromsteuereinrichtung 30 geschützt sind.

Es wird nun wieder auf Fig. 1c bezug genommen. Es ist häufig erwünscht, die Effektivspannung an der Last statt den Mittelwert der Lastspannung zu steuern. Die Mittelwertsteuerschaltung nach Fig. 2 hält eine konstante mittlere Spannung für eine Halbperiode aufrecht, wogegen sich die Lasteffektivspannung über einem ziemlich großen Bereich (Fig. 3), der durch die Kurve 110 angegeben ist, bei Veränderungen zwischen einer niedrigen verketteten Spannung V_{T T T} und einer hohen verketteten Spannung V_{x T} ., wie

Ij- L,JLjO li—Li,rtl

beispielsweise der Effektivspannungsbereich von 108-132 Volt, der in Haushaltsnetzen häufig auftritt, ändert. Wenn es erwünscht ist, den Effektivwert der Lastspannung zu steuern, sollte der Effektivwert der Lastspannung V eine

JLj

Kennlinie 112 haben, die enger bei der gewünschten Lasteffektivspannung V^_0n,, gehalten wird, und zwar über dem gesamten Bereich der normalen verketteten Spannung. Der Mittelwert der Lastspannung ergibt daher eine im wesentlichen konstante abgetastete Spannung, da die Mittelwertabtastprobe eine Funktion des Sinus der Quellenwellenformfrequenz ist, wogegen sich die Effektivspannung mit dem Quadrat des Sinus der Quellenwellenformspannung verändert. Gemäß der Darstellung in dem linken Teil in Fig. 1c kann daher die Stromleitungswellenform 115 (gestrichelt dargestellt) der Quellenwellenformhalbperiode positiver Polarität, die sich aufgrund einer erhöhten Quellenspannung ergibt, so ausgebildet werden, daß sie unter sich dieselbe Fläche wie der Wellenformteil 40a niedrigerer Quellenspannung hat, wobei aber der Effektivwert des Laststroms und der Lastspannung für die verschiedenen Leitungsteilwellenformen 40a und 115 unterschiedlich sein werden.

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Die Steuerung der Effektivlastspannung erfolgt durch Verwendung eines Widerstandselements 120 (Fig. 3) in Reihe mit der leitenden Vorrichtung parallel zu dem Widerstand 100c der abtastenden Spannungsteilerschaltung. Der Widerstand 120 ändert die Größe und die Wellenform der Abtasteinrichtungsausgangsspannung V ' über mehr als der halben Periode, wenn diese Ausgangsspannung eine von null verschiedene Größe ist, und beeinflußt somit die Integratorausgangsspannung V ,.. Diese Wirkung kann für die Effektivlastspannungssteuerung optimiert werden, indem die nichtidealen Effekte der Elemente entfernt werden, welche den Schaltvorgang in Reihe mit dem zusätzlichen Abfühleinrichtungswiderstand 120 bewirken, und indem jedes nichtideale Schaltelement zwischen den Ausgängen des Abtasteinrichtungsausgang= 32b und dem Schaltzeitsteuerungseinrichtungsausgang 20a (wie beispielsweise in der Diode 104) beseitigt wird. Diese Modifizierung ist vorgenommen worden und in der gegenwärtig bevorzugten Effektivspannungssteuerausführungsform in Fig. 3 gezeigt.

In Fig. 3, in der gleiche Schaltungselemente gleiche Bezugszeichen tragen, werden in der Leistungsschalteinrichtung zwei Leistungs-MOSFETs 16a¹ und 16b¹ als ein weiteres Beispiel für die vielen Formen von verwendbaren Leistungsschaltvorrichtungen benutzt.

Die kombinierten Funktionen der Dioden 102 und 104 werden durch ein steuerbares, in beiden Richtungen leitendes Schaltelement 126 erfüllt, dessen gesteuert leitender Kreis zwischen den Effektivwertkorrekturwiderstand 120 der Abfühleinrichtung und Massepotential geschaltet ist und das einen Steuereingang 126a hat. Ein Exklusiv-NOR-Gatter 128 hat einen ersten Eingang 128a, der mit einem ersten zusätzlichen Eingang 32c¹ der Effektivlastspannungsabfühleinrichtung verbunden ist, welcher Eingang mit dem Ausgang 20a der Schaltzeitsteuereinrichtung verbunden ist, um die Eingangsinforma-

tion zu liefern, die oben bei der Diode 104 (der Schaltung nach Fig. 2) benutzt wurde. Ein zweiter Gattereingang 128b ist mit einem zweiten zusätzlichen Effektivlastspannungsabfühleinrichtungseingang 32b¹ verbunden, der mit einem Hilfsausgang 22'd verbunden ist, der eine Nulldurchgangsdetektorlogikwellenform V_n, an dem Komparatorausgang 52c liefert. Der Gatterausgang 128c liefert das Steuersignal V für den Steuereingang 126a des ersten in zwei Richtungen leitenden Schalteleraents 126.

Wenn eine Strombegrenzungseinrichtung benutzt wird, kann die modifizierte Begrenzungseinrichtung 30' benutzt werden, um mehrere temperaturbezogene Fehler zu mildern, was ausführlicher in der weiter oben erwähnten weiteren Patentanmeldung P 34 32 225 der Anmelderin erläutert ist. Diese Strombegrenzungseinrichtung 30' —— _

enthält zwei Komparatoren 86-1 und 86-2, von denen jeder einen invertierenden Minuseingang 86-1a bzw. 86-2a hat, der mit der Referenzspannungsteilerausgangsverbindung verbunden ist, und einen nichtinvertierenden Pluseingang 86-Ib bzw. 86-2b, der mit dem zugeordneten Widerstand 88a bzw. 88b in Reihe geschaltet ist. Zwei steuerbare, in beiden Richtungen leitende Schaltelemente 130 und 132 sind mit dem gemeinsamen Potential und mit dem zugeordneten Komparatoreingang 86-1b bzw. 86-2b verbunden. Die Steuereingänge 130a und 132a sind parallel an einen Hilfsstrombegrenzungseinrichtungseingang 30'c angeschlossen, der seinerseits mit einem Hilfsansteuereinrichtungsausgang 28'e verbunden ist. Der Hilfsansteuereinrichtungsausgang 28'e ist mit dem Ausgang des Inverters 70' verbunden. Die Komparatorausgänge 86-1c und 86-2c sind mit einem ersten Eingang 134a bzw. einem zweiten Eingang 134b eines dritten Exklusiv-NOR-Gatters 134 verbunden, dessen Ausgang 134c sequentiell mit dem Strombegrenzungseinrichtungsausgang 30'b, der Wähleinrichtung 94 und von dieser aus mit dem Schaltzeitsteuereinrichtungseingang 2Od verbunden ist. Der Inverter 70' ist ein viertes

3 4 4 b 2 9 G

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Exklusiv-NOR-Gatter zur Anpassung an integrierte Standard-TTL- oder -CMOS-Schaltungen, die typisch vier Exklusiv-NOR-Gatter mit jeweils zwei Eingängen haben, wenn eine Ausführungsform der Anordnung 10' mit diskreten Bauelementen benutzt wird. Ebenso ist die Diode 68 durch ein viertes steuerbares, in beiden Richtungen leitendes Schaltelement 136 ersetzt, das einen Steuereingang 136a hat, der mit dem Ansteuereinrichtungseingang 28'a und einem gesteuerten Leitungskanal verbunden ist,welcher zwischen das Betriebspotential +V und den Ansteuereinrichtungsausgang 28'b geschaltet ist; die vier in beiden Richtungen leitenden Schaltelemente 126, 130, 132 und 136 können auch körperlich in einem einzigen Gehäuse einer integrierten Schaltung untergebracht werden, wenn eine diskrete Ausführungsform der Schaltung 10" benutzt wird. Es ist jedoch vorgesehen, daß im wesentlichen sämtliche Elemente der Schaltung 10' in eine einzige integrierte Schaltung integriert werden, in der der Wert der variablen Widerstände, wie beispielsweise des variablen Widerstand 66, des Potentiometers 106c und dgl., für eine besondere Last vorbestimmt festgelegt wird. Es ist außerdem vorgesehen, daß in Abhängigkeit von den Laststrom- und -Spannungskennlinien die Leistungsschalteinrichtung 14 als ein separates Bauelement entweder in diskreter oder in integrierter Form vorgesehen oder mit dem übrigen Teil der Schaltung 10' integriert wird, falls das möglich ist. Ebenso wird im Rahmen der Erfindung auch die Schaltungsanordnung 10 nach Fig. 2 oder eine andere Schaltungsanordnung, die die Erfordernisse des Blockschaltbildes nach Fig. 1 erfüllt, integriert.

Gemäß den Fig. 3 und 3a-3d arbeitet die Anordnung 10' folgendermaßen: Während jedes Halbperiodenteils 150a positiver Polarität (in Fig. 3a gestrichelt gezeigt) der Quellenspannungswellenform ist die Wellenform der Spannung V an dem Komparatorausgang 52c auf einem niedrigen logischen O-

• to·

Signalwert 152a, wogegen während jedes Halbperiodenteils 150b, nagativer Polarität der Quellenwellenform die Spannung V₁₇ an dem Nulldurchgangsdetektorhilf sausgang 22'd auf einem hohen logischen 1-Signalwert 152b ist. Bei jedem Nulldurchgang 154 wird das Ansteuereinrichtungsübertragungsgatter 136 eingeschaltet, und die Spannung V an dem Steuereingang 14a der Leistungsschalteinrichtung (Fig. 3b) steigt im wesentlichen auf die Größe des Betriebspotentials +V an, und zwar mit einem relativ steilen Vorderflankenteil 156. Diejenige der Schaltvorrichtungen 16a¹ und 16b¹, die dann ein positives Drainpotential hat, das heißt die Vorrichtung 16a¹ während der Halbperiode positiver Polarität und die Vorrichtung 16b¹ während der Halbperiode negativer Polarität, wird in den leitenden Zustand versetzt. Eine gewisse Zeit danach und vor dem nächsten Nulldurchgang 154 fällt die Spannung an dem Schaltzeitsteuereinrichtungsausgang 20a auf einen niedrigen Wert, und zwar aufgrund der Wirkung der Abschaltsetzeinrichtung 26, was nur durch die Spannung an dem Integratorausgang 108c beeinflußt wird, wenn der Schaltdraht 96b benutzt wird, oder durch die Spannung V ,. und die Spannung an dem Strombegrenzungseinrichtungsausgang 30'b, wenn der Schaltdraht 96a benutzt wird. Das Sperren des Schaltzeitsteuereinrichtungsausgangs 20a öffnet das Übertragungsgatter 136 und macht den Teil "langsamen Abschaltens" der Ansteuereinrichtung 20a¹ wirksam, und zwar auf eine Weise, die ausführlicher in der weiteren Patentanmeldung beschrieben ist, für die die Priorität der US-Patentanmeldung, Serial No. 499 599, in Anspruch genommen worden ist, und ergibt den charakteristischen Abschaltwellenformteil 158 für die Hinterflanke jeder Spannung V , für die die Vorderflanke des Zeitmaßstabes in Fig. 3b aus Darstellungsgründen vergrößert worden ist. Während eines ersten Zeitintervalls T.. ist daher die Spannung V„ an dem Nulldurchgangsdetektorkomparatorausgang 22'd auf dem Signalwert 0, wogegen die Spannung an dem Schaltzeitsteuereinrichtungsausgang 20a auf einem hohen Signalwert 1 ist, was bewirkt, daß die Spannung V an dem Ausgang des Gatters 128 auf dem Signalwert 0 ist,

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was als Teil 16Oa in Fig. 3c gezeigt ist. Die Spannung V ' (Fig. 3d) an dem Lastspannungsabtasteinrichtungsausgang 32b¹ hat deshalb einen sinusförmig ansteigenden Anfangsteil 162 während des Zeitintervalls T₁. Während des ZeitIntervalls T₁ ist die Abtasteinrichtungsausgangsspan-

nung V ' durch den Ausdruck V ' = V R / (R +R ) gegeben,wos s L· c a c

bei R und R die Widerstandswerte der ohmschen Elemente 100a a c

bzw. 100b sind.

Am Ende des Zeitintervalls T- ist die Spannung an dem Schaltzeitsteuereinrichtungsausgang 20a auf dem Signalwert O, was auch für die Leistungsschalteinrichtungseingangsspannung V gilt, wogegen die Nulldurchgangskomparatorausgangsspannung V auf dem Signalwert 0 bleibt, was bewirkt, daß die Gatterausgangsspannung V auf den Signalwert 1 ansteigt und das Übertragungsgatter 126 zum Leiten freigibt. Auf den 1-Signalwert 160b der Steuereingangsspannung V hin fällt die Spannung V ' an dem Lastspannungsabtasteinrichtungsausgang mit einer Hinterflanke auf einen niedrigeren, aber von null verschiedenen Spannungswert ab, der durch

V ^{= V}L1-C ¹Vc^WVc⁺Va¹ gegeben ist, wobei R, der Widerstandswert des Elements 120c ist. Ein gedämpfter und von null verschiedener Teil 166 des übrigen Teils der Quellenwellenform 150a der Halbperiode positiver Polarität erscheint weiterhin nach dem Flankenteil 164 an dem Abtasteinrichtungsausgang 32"b bis zu dem negativgehenden Nulldurchgang der Quellenwellenform. Während des Teils 150b (Fig.3a) der Quellenwellenformhalbperiode negativer Polarität ändert sich der Komparatorausgang 52c auf einen hohen Signalwert 1, und die Spannung V an dem

Hilfsnulldurchgangsdetektorausgang 22'd ist auf dem Signalwert 1, wie es die Teile 152b zeigen. Auf den negativgehenden Nulldurchgang hin steigt der Ausgang 20a der

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Schaltzeitsteuereinrichtung 20 auf einen hohen Wert, was die ansteigende Flanke 156' des nächsten Leistungsschalteinrichtungsfreigabeimpulses ergibt. Beide Lastspannungsabfühleinrichtungshilfseingänge 32c¹ und 32b¹ empfangen ein Signal mit dem Wert 1, wodurch die Spannung V an dem Gattersteuereingang 126a weiterhin mit dem Signalwert 1 des Teils 160b geliefert wird. Das Gatter 126 ist weiterhin leitend, und der Lastspannungsabtasteinrichtungsausgang V,¹ liefert einen Teil 168 negativer Polarität, welcher eine Amplitude hat, die um denselben Faktor verringert ist wie die Amplitude während des Teils 166, weil der Widerstand 120 noch durch das freigegebene Übertragungsgatter 126 im wesentlichen parallel zu dem Widerstand 100b liegt. Der Widerstandswert R, des Widerstands 120 wird so gewählt, daß die abgetastete Spannung V ' über dem Leitungsteil jeder Quellenwellenformperiode und bei einer konstanten Effektivlastspannung gleich der abgetasteten Spannung V gemacht wird. Wenn die abgetastete Spannung V ' an dem ersten Integratoreingang 34a mit der Referenzspannung an dem Integratoreingang 134b verglichen wird, ist die integrierte Fläche unter dem Teil 166 positiver Polarität größer als die integrierte Fläche unter dem Teil 168 negativer Polarität, und die Differenz in der integrierten Differenzspannung, d.h. die Differenz in der Fläche unter jedem der beiden Teile 166, 168 ist von der verketteten Spannung abhängig, so daß jede Fläche zunimmt oder abnimmt, wenn die verkettete Spannung zunimmt oder abnimmt, wodurch die integrierte Einstellausgangsspannung V ,.ι die an den Schaltzeitsteuereinrichtungseinstelleingang 2Oe angelegt wird, im wesentlichen proportional zu dem Zeitintegral der Effektivlastspannungsabweichung von der dafür eingestellten festen Referenzspannung V ,- ist.

An dem Ende des Leistungsschalteinrichtungsfreigabeimpul-

ses, d.h., nachdem die Hinterflanke 158' während der Quellenwellenformhalbperiode negativer Polarität abgefallen ist, ist die Spannung an dem Schaltzeitsteuereinrichtungsausgang 20a auf einem niedrigen Signalwert 0, während die Spannung V₁₇ an dem Nulldurchgangsdetektorhilfsausgang 22'd auf dem hohen Signalwert 1 in dem Teil 152b bleibt. Die Steuerspannung V an dem Leitungselementeingang 126a kehrt zu dem Signalwert 0 in dem Teil 160c zurück. Dadurch wird das Übertragungsgatter 126 geöffnet und der Widerstand 120 aus der Parallelschaltung zu dem Widerstand 100b entfernt. Da jedoch keine Spannung an dem Abtasteinrichtungseingang 32a¹ anliegt, und zwar aus oben erläuterten Gründen, fällt die Abtastspannung V ' an dem Lastspannungsabtasteinrichtungsausgang 32b¹ mit der Flanke 170 auf eine Größe ab, die im wesentlichen null ist, wie in den Teilen 172, was bis zum Beginn der nächsten Quellenwellenformhalbperiode positiver Polarität aufrechterhalten wird, woraufhin sich der gesamte Prozeß wiederholt. Es ist daher unwesentlich, daß das Übertragungsgatter 126 in dem Teil 160c gesperrt wird, und dieses Sperren hat im wesentlichen keinen Einfluß auf das Effektivlastspannungssteuerverfahren. Die Abtasteinrichtung 32' und die Integriereinrichtung 34 dienen weiterhin zum Verlängern der Leitungsperiode des Laststroms und deshalb zum Vergrössern der Effektivlastspannung, wenn die integrierte Differenzspannung während der vorhergehenden Quellenwellenformperiode auf eine Effektivlastspannung zurückzuführen war, die niedriger als erwünscht war, und zum Verkürzen der Laststromleitungsperiode und deshalb zum Verkleinern der Effektivlastspannung, wenn die Integration der abgetasteten Lastspannung während der vorhergehenden Quellenwellenformperiode auf eine Effektivlastspannung zurückzuführen war, die größer als die gewünschte Effektivlastspannung war. Durch Vorsehen des zusätzlichen Widerstands 120 in der Abtasteinrichtung

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32' mit richtiger Verbindung über das Übertragungsgatter 126 mit dem gemeinsamen Schaltungspotential arbeitet die .Schaltung doshalb gemäß dor gewünschten Betriebskennlinie 112 (Fig. 3c) bei Änderungen der Quellenspannungen in einem breiten Bereich und hält die Effektivlastspannung auf einem im wesentlichen konstanten Wert.

Claims

Patentansprüche :

1. Verfahren zum Steuern der Halbperioden-Mittel- oder Effektivwertgröße einer Wechselspannung, die von einer Wechselstromquelle höherer Spannung her an einer Last anliegt, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Vorsehen einer Schalteinrichtung in Reihe zwischen der Quelle und der Last zum wahlweisen Schliessen des Stromkreises zwischen denselben;

b) Freigeben der Schalteinrichtung, um das Fließen eines Stroms durch die Last für wenigstens ein Zeitintervall während jeder Quellenwechselstromwellenformperiode zu gestatten;

c) Abtasten der Größe der Spannung an der Last zumindest einmal während jeder Quellenwellenformperiode, um ein Einstellsignal zu erzeugen; und

d) Einstellen des Zeitintervalls, während welchem die Schalteinrichtung das Fließen des Laststroms gestattet, auf das Einstellsignal hin, um die Halbperiodenmittelwertgröße oder die Effektivwertgröße der Lastspannung, je nach dem, welche gewählt worden ist, auf einen Wert zu verändern, der im wesentlichen gleich einem gewünschten Wert ist.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt c) die Schritte beinhaltet: Abtasten der Lastspannungsgröße zumindest während eines Zeitintervalls, wenn der Laststrom fließt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgenden weiteren Schritt: Abtasten der Lastspannungsgrösse nur dann, wenn eine Spannung positiver Polarität an der Last anliegt, während der Laststrom fließt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt c) folgende weitere Schritte beinhaltet: Erzeugen einer Referenzspannung mit einer Größe, die die Größe des gewünschten Lastspannungshalbperiodenmittelwerts oder -effektivwerts festlegt; Vergleichen der Grösse der abgetasteten Lastspannung und der Referenzspannung; und Integrieren der Differenz zwischen der abgetasteten Lastspannungsgröße und der Referenzspannungsgröße über der Zeit, um das Einstellsignal zu erzeugen.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere absolute Deviation der Lastspannungsgröße die Halbperiodenmittelwertlastspannungsgröße ist, die gesteuert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch folgenden weiteren Schritt: Abtasten der Lastspannungsgröße nur dann, wenn eine Spannung positiver Polarität an der Last anliegt, während der Laststrom fließt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die quadratische Mittelwertgröße der Lastspannung gesteuert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch folgenden weiteren Schritt: Abtasten der Spannung an einer

Lastklemme, die mit einer Phasenklemme verbunden ist, während des gesamten Vorhandenseins dieser Spannung während der Quellenwellenformperiode.

9. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte: überwachen der Lastzustände, um wenigstens einen Fehlerzustand derselben zu erkennen, und sofortiges Beendigen des Laststromflusses, wenn irgendeiner der Fehlerzustände erkannt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Fehlerzustand ein Laststromfluß ist, der einen vorbestimmten Maximalwert übersteigt.

11. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgenden weiteren Schritt: Beendigen des Einstellschrittes für die gegenwärtige Quellenwellenformperiode, wenn das Zeitintervall des Laststromflusses eine vorbestimmte maximale Dauer übersteigt.

12. Anordnung zum Steuern der Halbperioden-Mittelwertoder Effektivwertgröße einer Wechselspannung, die von einer Wechselstromquelle höherer Spannung her an einer Last anliegt, gekennzeichnet durch:

eine Schalteinrichtung (14), die in Reihe zwischen die Quelle (12) und die Last (11) geschaltet i:;t, zum wahlweisen Schließen des Stromkreises zwischen denselben; eine Einrichtung (20) zum Freigeben der Schalteinrichtung (14), um einen Stromfluß durch die Last (11) für wenigstens ein Zeitintervall während jeder Quellenwechselstrom wellenformperiode zu gestatten; und eine Einrichtung (32) zum Abtasten der Größe der Spannung an der Last (11) zum Erzeugen eines Einstellsignals an der Freigabeeinrichtung (20) zum Einstellen des Zeitintervalle, während welchem die Schalteinrichtung (14) den li.isl r.l rotnf 1 uli gestaltet, um die gewählte ILi 1 hper i öden

Mittelwert- oder -Effektivwertlastspannungsgröße, je nach dom, wo lc: I ie qew.ihll wurde, auf einen Wert zu verändern, welelier im wesentlichen qioieh einem gewünschten Wert .L H L.

13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung (32) durch die Freigabeeinrichtung (20) freigegeben wird, um die Lastspannungsgröße während wenigstens eines Zeitintervalls, wenn der Laststrom fließt, abzutasten.

14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung "(32) eine Einrichtung (102, 104) enthält zum Verhindern des Abtastens der Lastspannungsgröße, sofern nicht eine Spannung positiver Polarität an der Last während der Freigabe der Abtasteinrichtung durch die Freigabeeinrichtung (20) vorhanden ist.

15. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung (32) enthält: eine Spannungsteilereinrichtung (100) zum Erzeugen einer Ausgangsspannung, die eine Abtastprobe reduzierter Größe der Spannung im wesentlichen an der Last (11) ist; eine Einrichtung zum Erzeugen einer Referenzspannung, die eine Größe hat, welche die gewünschte Halbperioden-Mittelwert- oder -Effektivwertlastspannungsgröße festlegt; und eine Einrichtung (34), die die Differenz zwischen der Spannungsteilereinrichtungsausgangsspannung und der Referenzspannung über der Zeit integriert, um das Einstellsignal zu erzeugen.

Id. Ληοι diiiiii<| n.ieli Λη:·|>ιικΊι 1'>, diiduieh <]pkenn/.e i elmot , tkill die KeI e.i eii/.sp,mnun<| eine im wesentlichen konstante Gleichspannung ist.

17. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Integriereinrichtung (34) enthält: einen Operationsverstärker (108), der einen nichtinvertierenden Eingang (108b) hat, welcher die Referenzspannung (V _f) empfängt, einen invertierenden Eingang (108a) und einen Ausgang (108c), an dem das Einstellsignal erscheint; ein Eingangswiderstandselement (110), welches die Spannungsteilereinrichtungsausgangsspannung an einer ersten Klemme empfängt und eine zweite Klemme hat, die mit dem invertierenden Eingang (108a) verbunden ist; und ein integrierendes Element (112), das zwischen den invertierenden Eingang (108a) und den Ausgang (108c) geschaltet ist.

18. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Halbperiodenmittelwertspannung an der l.asl (11) gesteuert wird, und daß die Spannungstciloreinrichtung (100) weiter enthält: eine erste Einrichtung (102), die zwischen die Freigabeeinrichtung (20) und den Ausgang der Spannungsteilereinrichtung (100) geschaltet ist, um das Spannungsteilereinrichtungsausgangssignal im wesentlichen zu sperren, wenn die Freigabeeinrichtung (20) dann die Schalteinrichtung (14) für einen Stromfluß durch die Last (11) nicht freigibt.

19. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Sperreinrichtung (102) eine in einer Richtung leitende Vorrichtung ist, die so gepolt ist, daß sie nur leitet, wenn die Freigabeeinrichtung (20) die Schalteinrichtung (14) gesperrt hat und der Laststrom nicht fließt.

20. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsteilereinrichtung (100) weiter enthält: eine zweite Einrichtung (104) zum im wesentlichen Sperren des Ausgangssignals, wenn eine Spannung negativer Polari-

34Ab^Ü

- 6 tat an der Last (11) vorhanden ist.

21. Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Sperreinrichtung (104) eine in einer Ri chi ujH| lfMlcndo Vorrichtung i γΛ , die zwischen den fipannuiHj.slf i I ere i in i chi umj.siiuiitjiimj und ein gerne i niuiincü Potential ije.sohalteL und so yepolt ist, daß Hit· J e LLl¹L, wenn eine Spannung negativer Polarität zwischen ihnen vorhanden ist.

22. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Effektivspannung an der Last (11) gesteuert wird und daß die Spannungsteilereinrichtung (100) weiter enthält: ein Widerstandselement (120), das zwischen den Ausgang der Spannungsteilereinrichtung (100) und ein gemeinsames Potential geschaltet ist und eine Größe hat, die so gewählt wird, daß die Größe des Einstellsignals der Effektivwertgrößc der Lastspannung entspricht; und eine Einrichtung (126), die mit dem Widerstandselement (120) in Reihe geschaltet ist, zum Sperren der Verbindung desselben mit dem gemeinsamen Potential,

a) wenn die Freigabeeinrichtung (20) einen Laststromfluß bei einer Lastspannung positiver Polarität gestattet und

b) wenn die Freigabeeinrichtung (20) einen Laststromfluß bei einer Lastspannung negativer Polarität verhindert.

23. Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung (128) enthält zum Erfassen der Polarität der Lastspannung und zum Erzeugen eines Ausgangssignals, das einen ersten und einen zweiten Wert bei Lastspannungen negativer bzw. positiver Polarität hat; wobei das Frcigabecinrichtungsausgangssignal den ersten und den zweiten Wert zum Freigeben bzw. Sperren der Schalteinrichtung (14) liefert; und wobei die Widcrstandselementabtrenneinrichtung ein Element (126) aufweist, das einen Steuereingang (126a) und einen Strom-

kreis in Reihenschaltung zwischen dem Widerstand und dem gemeinsamen Potential hat, der durch einen in zwei Richtungen leitenden Zustand auf ein Signal an dem Steuereingang hin gesteuert wird; und ein Exclusiv-NOR-Gatter (128), das einen ersten Eingang hat, der das Polaritätserkennungseinrichtungsausgangssignal empfängt, einen zweiten Eingang, der das Freigabeeinrichtungsausgangssignal empfängt, und einen Ausgang, der das Steuereingangssignal liefert.

24. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Freigabeeinrichtung (20) eine Einrichtung enthält zum Sperren der Schalteinrichtung (14), um jedes Auftreten des Laststromflusses nach einem vorbestimmten Zeitintervall zu beendigen, wenn das Einstellsignal die Laststromflußbeendigung noch nicht bewirkt hat.

25. Anordnung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (30") zum überwachen der Lastzustände, um wenigstens einen Fehlerzustand derselben zu erkennen und um den Laststromfluß sofort zu beendigen, wenn ein Fehlerzustand erkannt wird.