DE3534067A1 - Elektronische schaltung zur linearisierung der leistungsstellung bei der phasenanschnittsteuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung zur Linearisierung der Leistungsstellung bei der Phasenan­ schnittsteuerung mit einer Zündimpulsformereinheit, in der durch Vergleichsbildung einer Steuer- oder Regel­ spannung mit einer periodischen Vergleichsspannung ein Zündimpuls für einen Phasenanschnittwinkel erzeugt wird.

Bei der Phasenanschnittsteuerung wird zur Leistungsüber­ tragung an den Verbraucher der Phasenanschnittwinkel variiert, so daß nur die benötigte Leistung dem Versor­ gungsnetz entnommen wird.

Die Variation kann dabei durch Stellen eines Potentio­ meters erfolgen, das in den meisten Anwendungsfällen eine lineare Skalierung aufweist, so daß an ihm eine linear abhängige Steuer- oder Regelspannung für den jeweiligen Verstellbereich abfällt.

Insbesondere bei ohmschen Verbrauchern ändert sich die auf den Verbraucher übertragene Leistung nicht linear mit einer linearen Änderung der Steuer- oder Regelspan­ nung, da die übertragene Leistung als Funktion des Pha­ senanschnittwinkels einen nichtlinearen Verlauf hat, der in erster Näherung durch eine mathematische Funk­ tion der Art y = ½ sin(2α) + (π - α) beschrieben werden kann.

Dies hat zur Folge, daß beispielsweise Drehzahlstellun­ gen von Elektromotoren im Bereich relativ kleiner und großer Phasenanschnittwinkel eine relativ große Ände­ rung der Steuer- oder Regelspannung erfordern, um die gleiche Drehzahländerung zu erzielen wie bei einer Än­ derung im mittleren Stellbereich um beispielsweise α = 90°.

Deshalb liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Schaltung anzugeben, durch die es möglich ist, dem linearen Verlauf einer Steuer- oder Regelspannung eine lineare Leistungsübertragung zuzuordnen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die periodische Vergleichsspannung innerhalb der Perio­ dendauer einen nichtlinearen Verlauf hat, der in erster Näherung durch einen Polygonzug an die Funktion der Leistungskennlinie beschrieben werden kann.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung er­ geben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Schaltung hat den wesentlichen Vorteil, daß ein angenähert proportionaler Zusammenhang zwischen Steuer- oder Regelspannung und der Leistungs­ übertragung besteht und dadurch auch für Regelstrecken ein besseres Regelverhalten durch Reduzieren der Über­ schwinger und einer Erhöhung der Regelgeschwindigkeit erzielt werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figu­ ren dargestellt und soll im folgenden näher beschrieben werden:

Es zeigt

Fig. 1a: Die Funktion der Leistungskennlinie P (α) für die Phasenanschnittsteuerung bei einem ohm­ schen Verbraucher.

Fig. 1b: Den zeitlichen Verlauf des Laststromes bei einem vorgegebenen Phasenanschnittwinkel α bei einem ohmschen Verbraucher.

Fig. 2: Das Schaltbild einer elektronischen Schaltung zur Linearisierung der Leistungsstellung bei der Phasenanschnittsteuerung.

Die in Fig. 1a gezeigte Funktion der Leistungskennli­ nie bei der Phasenanschnittsteuerung bezieht sich auf einen ohmschen Verbraucher, bei dem Strom und Spannung in Phase sind.

Der Strom durch die Last hat dabei den in Fig. 1b ge­ zeigten Verlauf. Normiert man die Ordinate auf die ma­ ximal zur Verfügung stehende Leistung, erhält man den vom Phasenanschnittswinkel α abhängigen Verlauf der Leistungskennlinie P/P _max .

Dieser Verlauf kann durch Bildung des Leistungsintegrals mathematisch berechnet werden und folgt der Beziehung:

y = ½ sin(2α) + (π - α).

In der Fig. 1a ist diese Funktion durch einen Polygon­ zug mit den Segmentabschnitten I, II, III, IV, V, appro­ ximiert und verläuft punktsymmetrisch zu einem trans­ formierten Koordinatensystem, welches seinen Koordina­ tenursprung im Schnittpunkt der Werte P/P _max = 50% bei einem Phasenanschnittswinkel α = 90° hat. Aus dieser Punktsymmetrie folgt die Tatsache, daß bei den fünf Segmentabschnitten lediglich drei unterschiedliche Stei­ gungen vorhanden sind.

Dieser Polygonzug wird elektronisch als periodische Vergleichsspannung U _V nachgebildet, indem eine Kapazi­ tät über beispielsweise drei unterschiedliche Entlade­ ströme, entsprechend den drei unterschiedlichen Stei­ gungen der Segmentabschnitte, abschnittsweise bis auf Bezugspotential entladen und am Ende der Periode sprung­ artig wieder geladen wird.

Die Fig. 2 zeigt ein Schaltbild zur Realisierung die­ ses Polygonzugs.

Der Zündimpulsformereinheit 1 werden die Steuer- oder Regelspannung U _St , die periodische Vergleichsspannung U _V und das netzfrequente Synchronisiersignal U _Syn zu­ geführt.

Von dieser Zündimpulsformereinheit 1 führt ein Ausgang an die Steuerelektrode des Halbleiterschaltelements S, welches im ausgeführten Beispiel ein Triac oder Thyri­ stor sein kann.

Ein weiterer Ausgang der Zündimpulsformereinheit 1 führt an die Basis des Transistors T ₃, dessen Kollektor mit dem Kollektor des Transistors T ₂ verbunden ist. Der Emitter des Transistors T ₃ ist mit Massebezugspotential verbunden und der Emitter des Transistors T ₂ ist über den Widerstand R _S mit dem Versorgungsspannungsanschluß -U _S verbunden. Der Kollektor des Transistors T ₂ führt an den einen Anschluß der Kapazität C _ϑ , deren anderer Anschluß mit Massebezugspotential verbunden ist.

Die periodische Vergleichsspannung U _V ergibt sich durch gesteuertes Laden der Kapazität C _ϑ , deren einer An­ schluß mit den positiven Eingängen der Komparatoren K ₁, K ₂, K ₃ und K ₄ und dem Anschluß der Zündimpulsformerein­ heit 1 für die Vergleichsspannung verbunden ist.

An einem Spannungsteiler, bestehend aus den fünf Wider­ ständen R ₁, R ₂, R ₃, R ₄ und R ₅, fallen die vier Referenz­ spannungen U _{Ref 1}, U _{Ref 2}, U _{Ref 3} und U _{Ref 4} ab, die jeweils dem Minuseingang des zugeordneten Komparators zugeführt sind. Der Spannungsteiler liegt zwischen Massebezugspo­ tential und der Vorsorgungsspannung -U _S .

Die normierten Werte der Referenzspannungen sind ent­ sprechend Fig. 1a wie folgt vorgegeben: 95%, 80%, 20%, 5%.

Die Ausgänge der Komparatoren K ₁, K ₂, K ₃ und K ₄ sind einer Logikschaltung 2 zugeführt, über deren Ausgänge drei Schalttransistoren T ₆, T ₇, T ₈ samt den zugehörigen Widerständen R ₆, R ₇, R ₈ in den Kollektorleitungen ange­ steuert werden. Die Emitter der Schalttransistoren T ₆, T ₇, T ₈ sind mit der Versorgungsspannung -U _S verbunden und die Widerstände R ₆, R ₇ und R ₈ sind an einem Anschluß zusammengeschaltet und mit der Kathode einer Diode D ₃ verbunden, deren Anode mit der Basis des Transistors T ₂ und dem einen Anschluß eines Widerstandes R ₉ verbunden ist.

Der andere Anschluß des Widerstandes R ₉ ist mit dem Emitter des Transistors T ₁, der einen offenen Kollektor hat verbunden, dessen Basis von der Stromquelle Q ge­ speist wird, die den Strom I ₂ liefert.

Zwischen Basis des Transistors T ₁ und Versorgungsspan­ nung -U _S sind zur Stabilisierung der Basisspannung des Transistors T ₁ eine in Sperrichtung gepolte Zenerdiode und zwei zu dieser in Serie und in Durchlaßrichtung ge­ polte Dioden D ₁ und D ₂ geschaltet.

Die Erzeugung der periodischen Vergleichsspannung U _V ergibt sich wie folgt: am Ende der Periode T wird aus dem Synchronisiersignal U _Syn ein kurzer Impuls abgelei­ tet, der den Transistor T ₃ ansteuert, wodurch die Ka­ pazität C _ϑ entladen wird und das Spannungspotential am Kollektor auf ein Maximum ansteigt. Danach wird über die Logikschaltung 2 einer der Schalttransistoren, bei­ spielsweise T ₆, der den Strom I ₆ liefert angesteuert, so daß der Basis des Transistors T ₂ die Differenz I ₁- I ₆ zugeführt wird. Der Transistor T ₂ lädt dadurch die Kapazität C _ϑ mit einem Strom, welcher der Steigung im Segment I der Fig. 1a entspricht.

Wenn die Vergleichsspannung U _V beispielsweise auf 95% ihres Maximalwertes abgesunken ist, ändert der Kompa­ rator K ₁ sein Ausgangssignal, wodurch über die Logik­ schaltung 2 jetzt der Transistor T ₇ angesteuert wird, der den Strom I ₇ führt, und die Basis des Transistors T ₂ erhält den Strom I ₁-I ₇. Dieser Strom entspricht der Steigung im Segment II.

Wenn die Vergleichsspannung auf 80% ihres Maximalwer­ tes abgesunken ist, ädert der Komparator K ₂ sein Aus­ gangssignal, wodurch jetzt über die Logikschaltung 2 der Transistor T ₈ angesteuert wird, so daß die Basis des Transistors T ₂ mit dem Strom I ₁-I ₈ angesteuert wird. Dieser Strom entspricht der Steigung im Segment III.

Erreicht die Vergleichsspannung 20% ihres Maximalwer­ tes, ändert der Komparatorausgang von K ₃ seinen Zustand, wodurch über die Logikschaltung 2 jetzt die Konstant­ stromquelle mit dem Transistor T ₇ angesteuert wird und der bereits beschriebene Ladevorgang sich fortsetzt, bis die Vergleichsspannung auf 5% abgesunken ist und die Konstantstromquelle mit dem Transistor T ₆ die Ka­ pazität C _ϑ bis zum Ende der Periode T nahezu ganz lädt. Dann wird über das Synchronisiersignal U _Syn der Transi­ stor T ₃ angesteuert, der die Kapazität C _ϑ entlädt, und der beschriebene Vorgang wiederholt sich periodisch.

Bei der Leistungsstellung von ohmisch-induktiven Lasten kann eine Linearisierung dadurch vorgenommen werden, daß man die Referenzspannungen entsprechend der Lei­ stungskennlinie anders aufteilt, da diese Funktion dann nicht mehr punktsymmetrisch zu α = 90° ist.

Außerdem kann in der Logikschaltung 2 über eine andere Auslegung erreicht werden, daß bei drei Schalttransi­ storen T ₆, T ₇, T ₈ 6 Kombinationsmöglichkeiten unter­ schiedlicher Steigungen realisiert werden können.

Oder allgemein:

Bei n Stromquellen sind n ! verschiedene Kombinations­ möglichkeiten vorhanden.

Claims (8)

1. Elektronische Schaltung zur Linearisierung der Lei­ stungsstellung bei der Phasenanschnittsteuerung mit einer Zündimpulsformereinheit (1), in der durch Ver­ gleichsbildung einer Steuer- oder Regelspannung (U _St ) mit einer periodischen Vergleichsspannung (U _V ) ein Zünd­ impuls für einen Phasenanschnittwinkel (α) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Vergleichs­ spannung (U _V ) innerhalb der Periodendauer (T) einen nichtlinearen Verlauf hat, der in erster Näherung durch einen Polygonzug an die Funktion der Leistungskennlinie (P (α) ) beschrieben werden kann.

2. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Polygonzug an eine mathemati­ sche Funktion der Art y = ½ sin(2α) + (π - α) appro­ ximiert ist.

3. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Polygonzug aus mehreren linearen Segmentabschnitten besteht, die punktsymmet­ risch zu einem transformierten Koordinatorsystem in der Leistungskennlinie (P (α) ) angeordnet sind, welches sei­ nes Koordinatenursprung bei einem Phasenanschnittwinkel α = 90° und einem normierten Leistungsverhältnis von 50% hat.

4. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Vergleichsspannung (U _V ) durch Entladen einer Kapazität (C _ϑ ) über einen vom Spannungspegel der Vergleichsspannung (U _V ) abhängig gesteuerten Entladetransistor (T ₂) erzeugt wird.

5. Elektronische Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisstrom des gesteuerten Transistors (T ₂) durch parallelgeschal­ tete Schalttransistoren (T ₆, T ₇, T ₈) mit den Widerstän­ den (R ₆, R ₇, R ₈) in den Kollektorleitungen beeinflußt wird.

6. Elektronische Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichs­ spannung (U _V ) jeweils den positiven Eingängen einer Komparatoreinheit, bestehend aus mehreren Komparatoren (K ₁, K ₂, K ₃, K ₄) zugeführt ist, deren negative Eingänge von festen Referenzspannungen (U _{Ref 1}, U _{Ref 2}, U _{Ref 3}, U _{Ref 4}) angesteuert werden.

7. Elektronische Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Komparatoren (K ₁, K ₂, K ₃, K ₄) in einer Logikschaltung (2) verknüpft werden, deren Ausgänge die Basen der Tran­ sistoren (T ₆, T ₇, T ₈) ansteuern.

8. Elektronische Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Vergleichsspannung (U _V ) als Polygonzug mit unterschiedlichen Steigungen nachgebildet wird, indem die Kapazität C _ϑ abschnitts­ weise mit entsprechend unterschiedlichen Strömen ent­ laden wird.