DE4337956C1 - Leistungssteller - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Leistungssteller mit mindestens zwei Leistungsstufen.

Ein derartiger Leistungssteller ist aus dem Firmenprospekt "Leistungsstellersysteme", A516 4843/0891, der AEG Aktiengesellschaft, Fachbereich Industriekomponenten, 59579 Warstein bekannt. In Bild 8 ist dort eine Prinzipschaltung einer einphasigen Spannungsfolgesteuerung dargestellt. Es ist ein Transformator mit zwei Wicklungen zu sehen, von denen die eine netzseitig angeordnet ist und die andere in Reihe mit antiparallel verschalteten Thyristoren und einem Verbraucher als Last liegt. Diese lastseitige Wicklung weist vier über die Wicklung verteilte Spannungsabgriffe auf, an die jeweils zwei antiparallel verschaltete, einen elektronischen Schalter bildende Thyristoren angeschlossen sind. Jeder Spannungsabgriff mit den zugehörigen Thyristoren stellt eine Leistungsstufe dar. Die Last ist den Thyristoren nachgeschaltet. Je nachdem welche Thyristoren angesteuert werden, erhält sie mehr oder weniger Leistung. Nachteilig bei dieser Ausführung ist die hohe Belastung der Thyristoren; da sie im Stromkreis der Last liegen, wird über die Thyristoren die volle Leistung geführt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Leistungssteller mit mindestens zwei Leistungsstufen zu schaffen, bei dem über die elektron. Schalter nicht die volle von der Last aufgenommene Leistung geführt wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Leistungssteller nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 6. Diese Leistungssteller zeichnen sich dadurch aus, daß die elektron. Schalter nicht mit der vollen Leistung, sondern lediglich mit der zu verstellenden Leistung belastet werden. Dies wird dadurch erreicht, daß die elektronischen Schalter in einem Steuerkreis liegen und nicht in dem Stromkreis, in dem die Last liegt.

Vorteilhaft bei der Ausgestaltung nach Anspruch 5 ist die Tatsache, daß mit einfachem schaltungstechnischen Aufwand eine phasenrichtige Zündung der antiparallel verschalteten Stromrichterventile der Stufensteller erzielt wird. Während der positiven Netzspannungshalbwellen ist das eine Stromrichterventil geöffnet, das einen Stromfluß zur netzseitigen Wicklung und zur Last gestattet, und während der negativen Spannungshalbwellen das andere Stromrichterventil; dadurch ist die Netzspannung der netzabgewandten Wicklung aufgeprägt, sofern gleichzeitig die der netzabgewandten Wicklung parallelen Thyristoren gesperrt sind.

Bei der Ausführung nach Anspruch 10 ist eine feinere Einstellung der Leistung an der Last möglich als durch bloße Ansteuerung der verschiedenen Leistungsstufen.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von vier Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Schaltplan eines erfindungsgemäßen zweistufigen Leistungsstellers,

Fig. 2 einen Schaltplan eines erfindungsgemäßen vierstufigen Leistungsstellers,

Fig. 3 den Spannungsverlauf an der Last und

Fig. 4 einen erfindungsgemäßen Leistungssteller mit einem Spartransformator.

In Fig. 1 ist der Schaltplan für einen einphasigen Leistungssteller mit zwei Leistungsstufen dargestellt. An einer netzseitigen Wicklung (1) eines ersten Transformators (2) liegt in Reihe an einem Ausgang (3) des Leistungsstellers eine Last (4). Die netzseitige Wicklung (1) und die Last (4) bilden den Lastkreis, der zwischen einer Phase (R) und einem Anschluß (MP) des speisenden Netzes angeschlossen ist. Die Phase (R) ist beispielsweise eine Phase eines Drehstromnetzes und der Anschluß (MP) der Mittelpunktleiter des Drehstromnetzes (oder der Nulleiter eines Einphasennetzes).

Parallel zu der netzabgewandten Wicklung (5) des ersten Transformators (2), die den gleichen Wicklungssinn hat wie die netzseitige Wicklung (1), liegen zum einen die Primärwicklung (6) eines zweiten Transformators (7) und zum anderen zwei antiparallel verschaltete Thyristoren (8).

Die netzabgewandte Wicklung (5), die antiparallel verschalteten Thyristoren (8) und die Primärwicklung (6) sind jeweils an ihrem einen Ende mit dem Anschluß (MP) des Netzes verbunden. An ihrem anderen Ende sind sie jeweils an zwei weitere anatiparallel verschaltete Thyristoren (8) angeschlossen, die mit ihrer anderen Seite an der Phase (R) des Netzes gelegt sind. Diese antiparallel verschalteten Thyristoren bilden einen ersten elektronischen Schalter (9), die parallel zur netzabgewandten Wicklung (5) liegenden, antiparallel verschalteten Thyristoren einen zweiten elektronischen Schalter (8).

Der zweite Transformator (7) hat zwei Sekundärwicklungen (10, 11) mit gleicher Windungszahl und zueinander entgegengesetztem Wicklungssinn.

Die Sekundärwicklung (10) ist entgegengesetzt zu der Primärwicklung (6) gewickelt und über eine Diode (12), deren Anorde an der Sekundärwicklung (10) liegt, mit dem Zündanschluß desjenigen Thyristors des ersten elektronischen Schalters (9) verbunden, dessen Kathode an die netzabgewandte Wicklung (5) geführt ist. Bei jeder negativen Halbwelle der Wechselspannung an der Primärwicklung (6) baut sich an der Sekundärwicklung (10) eine Spannung auf, die die Diode (12) leitend macht, wodurch ein Zünden des angeschlossenen Thyristors hervorgerufen wird. die Netzspannung an der Phase (R) wird - bei negativen Spannungshalbwellen - auf diese Weise an die netzabgewandte Wicklung (5) durchgeschaltet.

Die Sekundärwicklung (11) hat den gleichen Wicklungssinn wie die Primärwicklung (6) des zweiten Transformators (7) und ist über eine Diode (13) an den Zündanschluß des anderen Thyristors des elektronischen Schalters (9) geführt, dessen Anode mit der netzabgewandten Wicklung (5) verbunden ist. Die Sekundärwicklung (11) erzeugt immer dann einen Zündimpuls, wenn eine positive Halbwelle der Netzspannung an der Primärwicklung (6) liegt.

Die Dioden (12) und (13) liegen mit ihren Kathodenanschlüssen an den zugehörigen Zündanschlüssen der Thyristoren des ersten elektronischen Schalters (9).

Durch die zuvor beschriebene Verschaltung und Wicklung der Sekundärwicklungen (10) und (11) werden die Thyristoren des ersten elektronischen Schalters (9) synchron und phasenrichtig angesteuert, und zwar werden sie im Wechsel mit den positiven und negativen Spannungshalbwellen gezündet.

Die Last (4) erhält maximale Leistung (Betrieb bei voller Leistung), wenn die Thyristoren des zweiten elektronischen Schalters (8) abwechselnd während der positiven und der negativen Halbperioden der anliegenden Spannung gezündet werden, so daß die Spannung an der parallelliegenden netzabgewandten Wicklung (5) null ist (hierbei seien zur Vereinfachung ideale Verhältnisse vorausgesetzt). In diesem Fall ist nach den Transformatorgleichungen auch die Spannung an der netzseitigen Wicklung (1) gleich null. Damit liegt die volle Netzspananung zwischen den Phasen (R) und (Mp) an der Last (4).

Wenn die Thyristoren der zweiten elektronischen Schalter (8) vollständig sperren, baut sich an der netzabgewandten Wicklung (5) eine Spananung auf, die von der Spannung an der netzseitigen Wicklung (1) induziert wird. Wenn das Verhältnis der Windungszahlen von netzseitiger Wicklung (1) zu netzabgewandter Wicklung (5) 1 : 5 beträgt, ist die Spannung an der netzabgewandten Wicklung (5) fünfmal so groß wie an der anderen Wicklung (1) des Transformators (2). Die induzierte Spannung liegt an an der parallelliegenden Primärwicklung (6) des zweiten Transformators (7). Daher werden in den Sekundärwicklungen (10, 11) des zweiten Transformators (7) ebenfalls Spannungen induziert, die nacheinander und phasenrichtig zu einem Zünden des Thyristoren des ersten elektronischen Schalters (9) führen. Die Thyristoren stellen eine elektrische Verbindung zu der Phase (R) des Netzes her. Damit wird der transformatorisch in der Sekundärwickluing (5) des ersten Transformators (2) übertragene Laststrom auch über die Thyristoren des ersten elektronischen Schalters (9) zur Phase (R) geführt; die Spannung an der Sekundärwicklung (5) des ersten Transformators (2) ist dabei auf die Netzspannung geklemmt. Die netzseitige Wicklung (1) des ersten Transformators (2) nimmt entsprechend dem Übersetzungsverhältnis der Windungen des ersten Transformators (2) Spannung auf; die Spannung an der Last (4) nimmt um diesen Betrag ab. Bei dieser Betriebsart ist der niedrigste Wert für die abgegebene Leistung erreicht. Dieser Wert könnte beispielsweise bei 80% der vollen Leistung liegen.

Soll die Leistung an der Last (4) zwischen den zuvor geschilderten Werten liegen, so wird der Steuerwinkel für die Thyristoren des zweiten elektronischen Schalters (8) geändert (Phasenanschnitt).

Weil über den Phasenanschnitt nur ein Teil der Spannung verstellt wird, bleiben die Netzrückwirkungen gering (vgl. Fig. 4).

Weil über den Phasenanschnitt nur ein Teil der Spannung verstellt wird, bleiben die Netzrückwirkungen gering (vgl. Fig. 4).

Fig. 2 zeigt einen Leistungssteller mit vier Leistungsstufen. Gegenüber der Ausführung nach Fig. 1 hat dieser Leistungssteller in der netzabgewandten Wicklung (5) des ersten Transformators (2) zwischen einem äußeren Abschluß (14) der Wicklung (5), und dem anderen Anschluß (15) am anderen Ende der Wicklung (5) zwei Abgriffe (16, 17), an die jeweils zwei antiparallel verschaltete Thyristoren angeschlossen sind, die zwei weitere erste elektronische Schalter (18, 19) bilden.

Beim Ansteuern der ersten elektronischen Schalter (9, 18, 19) d. h. durch phasenrichtiges Zünden der Thyristoren, wird eine leitende Verbindung von dem jeweiligen Abgriff (16, 17) zu der Phase (R) hergestellt; damit kann - bei gleichzeitig gesperrtem zweitem elektronischem Schalter (8) - jeweils ein anderes Übersetzungsverhältnis des Transformators (2) eingestellt werden. Bei Ansteuerung des zweiten elektron. Schalters (8), der durch die Thyristoren gebildet wird, welche parallel zu der netzabgewandten Wicklung (5) geschaltet sind, wird die Spannung an dieser Wicklung (5) null; nach den Transformatorengleichungen liegt dann an der Wicklung (1) ebenfalls keine Spannung, und der Last (4) ist die volle Netzspannung aufgeprägt.

Bei gezielter Ansteuerung der Thyristoren der ersten elektron. Schalter (18, 19) ist nur ein Teil der netzabgewandten Wicklung (5) wirksam und das (wirksame) Übersetzungsverhältnis (der Windungszahlen am Transformator 2) ist verkleinert. Da die Netzspannung in diesem Fall über den jeweils angesteuerten elektron.Schalter (18, 19) an den Abgriffen (16, 17) der netzabgewandten Wicklung (5) aufgeprägt wird, vergrößert sich entsprechend auch die Spannung, die an der netzseitigen Wicklung (1) liegt; bei Verringerung der wirksamen Windungszahl ist nämlich bei fester (aufgeprägter) Spannung der auf jede einzelne Windung bezogene Spannungsanteil größer. Infolgedesse verbleibt an der Last(4) eine kleinere Spannung.

Bei Durchschaltung der Thyristoren des ersten elektron. Schalters (18) liegt an der netzseitigen Primärwicklung (1) eine kleinere Spannung als bei Durchschaltung der Thyristoren des ersten elektron. Schalters (19), weil die Zahl der wirksamen Windungen an der netzabgewandten Wicklung (5) größer ist. Je größer die Spannung an der netzseitigen Wicklung (1), desto kleiner ist die Spannung an der Last (4). Durch gezieltes einzelnes Ansteuern der elektron. Schalter (8, 9, 18, 19), die jeweils von zwei antiparallel verschalteten Thyristoren gebildet werden, läßt sich die Leistung an der Last (4) in Stufen einstellen.

Wenn ein elektronischer Schalter (8, 9, 18, 19) durch Ansteuerung der Thyristoren angesteuert ist, lassen sich Zwischenwerte für die abgegebene Leistung durch Phasenanschnittsteuerung der Thyristoren des zweiten elektronischen Schalters (9) oder mit dem Vollschwingungstakt-Prinzip einstellen. Bei einer Arbeitsweise nach diesem Prinzip ist der zweite elektronische Schalter (8) nur während abgezählter Spannungs-(Halb)-Wellen in jeder Taktperiode leitend geschaltet. Durch Verändern der Anzahl der Spannungs-(Halb)Wellen in jeder Taktperiode wird die Leistung verstellt.

Die ersten elektronischen Schalter (9, 18, 19) legen, wenn sie einzeln angesteuert werden, die Spannung an dem zugehörigen Abgriff (14, 16, 17) der netzabgewandten Wicklung (5) auf die Netzspannung an der Phase (R).

Das Zünden der Thyristoren wird über eine elektronische Schaltung (S) gesteuert. Die Schaltung (S) ist eingangsseitig parallel zu der netzabgewandten Wicklung (5) geschaltet, der Zeitpunkt für die Abgabe der Zündimpulse an die Thyristoren hängt nämlich unter anderem ab von den Spannungsnulldurchgängen (wechselweises Schalten der Thyristoren bei positiven und negativen Spannungshalbwellen).

Es ist auch möglich, für alle drei mit der Phase (R) verbundenen Stufensteller jeweils einen Transformator mit zwei Sekundärwicklungen vorzusehen, die mit den Zündeingängen der Thyristoren der ersten elektronischen Schalter (8, 9, 18, 19) ähnlich verschaltet sind, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Allerdings müßten zusätzliche (beispielsweise elektronisch gesteuerte) Schalter vor die Zündeingänge gelegt werden, damit gezielt wechselweise nur die Thyristoren eines einzigen elektronischen Schalters (9, 18, 19) ansteuerbar sind und nicht alle elektronischen Schalter (9, 18, 19) gleichzeitig angesteuert werden.

Auf diese Weise werden die Thyristoren der ersten elektronischen Schalter (9, 18, 19) nacheinander und phasenrichtig gezündet.

Fig. 3 zeigt den Spannungsverlauf an der Last für den Fall, daß die Spannung an der Last (4) mit einem Phasenanschnitt gesteuert wird. Durch Verstellen des Steuerwinkels (α) läßt sich der Spannungsverlauf und damit die Leistung an der Last (4) stufenlos verändern. Je größer der Steuerwinkel (α), desto größer ist die an die Last (4) abgegebene Leistung. Ein solcher Spannungsverlauf ist mit jedem der Leistungssteller aus den Fig. 1 und 2 zu erzielen. Die verhältnismäßig kleinen Sprünge verursachen keine nennenswerten Rückwirkungen am speisenden Netz.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leistungsstellers ähnlich wie die nach Fig. 2. Der Unterschied liegt darin, daß als Transformator ein Spartransformator (2′) eingesetzt wird. Der Spartransformator (2′) weist eine Wicklung (5′) auf, an der netzseitig ein Abgriff (22) vorhanden ist. In Reihe zu dem Abgriff (22) liegt die Last (4). Zwischen dem Abgriff (22) und dem äußeren, mit dem Anschluß (MP) verbundenen Abschluß (15) der Wicklung (5′) liegen im Vergleich zur Abmessung der Wicklung (5′) nur wenige Windungen. Für die Funktionsweise gilt das zu der Fig. 2 Gesagte.

Claims (15)

1. Leistungssteller mit mindestens zwei Leistungsstufen, bei dem an jede Phase (R, MP) des speisenden Netzes eine Last (4) in Reihe mit einer netzseitigen Wicklung (1) eines Transformators angeschlossen ist, dessen netzabgewandte Wicklung (5) einerseits über einen ersten elektronischen Schalter (9) ebenfalls an die Phase (R, MP) des speisenden Netzes anschließbar ist und andererseits über einen zweiten elektronischen Schalter (8) kurzschließbar ist.

2. Leistungssteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Wicklungen (1, 5) gleichsinnig gewickelt sind und daß die netzabgewandte Wicklung (5) mindestens einen Abgriff (16, 17) aufweist, über den die netzabgewandte Wicklung (5) mittels mindestens eines weiteren ersten elektronischen Schalters (18, 19) an die Phase (R) des speisenden Netzes anschließbar ist.

3. Leistungssteller nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten elektronischen Schalter (9, 18, 19) und der zweite elektronische Schalter (8) Paare antiparallel verschalteter Stromrichter­ ventile sind.

4. Leistungssteller nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromrichterventile Thyristoren sind.

5. Leistungssteller nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der netzabgewandten Wicklung (5) die Primärwicklung (6) eines weiteren Transformators (7) vorgesehen ist, daß dieser Transformator (7) zwei Sekundärwicklungen (10, 11) mit zueinander entgegengesetztem Wicklungssinn aufweist, daß diese Sekundärwicklungen (10, 11) Dioden (12, 13) nachgeschaltet sind, die mit ihrer Kathode jeweils an dem Zündeingang eines der Stromrichterventile des ersten elektronischen Schalters (9) liegen.

6. Leistungssteller mit mindestens zwei Leistungsstufen, bei dem an jede Phase (R, MP) des speisenden Netzes eine Last (4) in Reihe mit einer Teilwickllung eines Spartransformators (2′) angeschlossen ist, dessen Gesamtwicklung (5′) einerseits über einen ersten elektronischen Schalter (9) ebenfalls an die Phase (R, MP) des speisenden Netzes anschaltbar ist und andererseits über einen zweiten elektronischen Schalter (8) kurzschließbar ist.

7. Leistungssteller nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die restliche Teilwicklung des Spartransformators (2′) mindestens einen Abgriff (16, 17) aufweist, über den an die restliche Teilwicklung mittels mindestens eines weiteren ersten elektronischen Schalters (18; 19) die Phase (R) des speisenden Netzes anschaltbar ist.

8. Leistungssteller nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste elektronische Schalter (9) und der zweite elektronische Schalter (8) antiparallel verschaltete Stromrichterventile sind.

9. Leistungssteller nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromrichterventile Thyristoren sind.

10. Leistungssteller nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung an der Last (4) nach dem Phasenanschnitt-Prinzip durch Zündung der antiparallel verschalteten Stromrichterventile des zweiten elektronischen Schalters (8) gesteuert wird.

11. Leistungssteller nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung n der Last (4) nach dem Vollschwingungstakt- Prinzip durch entsprechende Zündung der Stromrichterventile des zweiten elektronischen Schalters (8) gesteuert wird.

12. Leistungssteller nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einer Phase am Einphasennetz betrieben wird.

13. Leistungssteller nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß er mit drei Phasen am Dreiphasennetz betrieben wird.

14. Leistungssteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Last (4) eine Leuchte vorgesehen ist.

15. Leistungssteller nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Last (4) ein elektrisches Heizelement vorgesehen ist.