FR2690035A1

FR2690035A1 - Continuously variable control of 1 or 3 phase resistive loads e.g. electric resistance heater - uses pulsed signal from temp. comparator to control load current switching device passing discrete single cycles.

Info

Publication number: FR2690035A1
Application number: FR9204311A
Authority: FR
Inventors: Riot Denis
Original assignee: APPLIC ELECTROTECH INDLES
Current assignee: APPLIC ELECTROTECH INDLES
Priority date: 1992-04-08
Filing date: 1992-04-08
Publication date: 1993-10-15
Anticipated expiration: 2012-04-08
Also published as: FR2690035B1

Abstract

The switching device - e.g. for 1-phase loads, two thyristors in inverse-parallel - is connected in series with the load across the mains supply. Let-through is controlled by successive half-cycle gate pulses (iG,iG') generated by a controller with two inputs, - a synchronising pulse-train (Vsyn), marking the supply voltage wave zeros, and a pulse-train from a comparator (Vcom), whose frequency is proportional to the difference between the set control temp. and the actual load temp. In the controller, each incoming comparator pulse initiates a memory logic pulse (Vmem), terminated by the next incoming synchronising pulse. Each such termination generates gate pulses (iG,iG'), causing one complete mains voltage cycle to be applied to the load. ADVANTAGE - Correlates mean power supplied to temp. differential, relatively cheaply.

Description

PROCEDE DE COMMANDE D'UN GRADATEUR POUR CHARGES RESISTIVES
La présente invention concerne un procédé de commande d'un gradateur pour charges résistives.METHOD FOR CONTROLLING A DIMMER FOR RESISTIVE LOADS
The present invention relates to a method for controlling a dimmer for resistive loads.

L'invention s'applique notamment à la commande de résistances électriques chauffantes.The invention applies in particular to the control of electric heating resistors.

La régulation de la puissance délivrée dans des charges résistives alimentées en courant alternatif s'opère classiquement au moyen de gradateurs monophasés ou triphasés, généralement constitués, selon la répartition des phases, par une association de thyristors en parallèle montés tête-bêche ou par une association de thyristors et de diodes. Les circuits de commande de ces gradateurs sont essentiellement formés de trois modules principaux, à savoir
- un capteur qui fournit une image électrique de la grandeur mesurée (température, pression, etc...),
- un régulateur qui élabore une tension de commande fonction de l'écart entre la valeur mesurée et une valeur de consigne,
- un dispositif de commande qui traduit cette tension de commande par la fermeture plus ou moins fréquente des thyristors ou des triacs de puissance.De cette façon, la puissance moyenne fournie à la charge peut être variée entre 0 à 100 % de la puissance nominale.The regulation of the power delivered in resistive loads supplied with alternating current operates conventionally by means of single-phase or three-phase dimmers, generally constituted, according to the distribution of the phases, by an association of thyristors in parallel mounted head to tail or by an association thyristors and diodes. The control circuits of these dimmers are essentially formed of three main modules, namely
- a sensor which provides an electrical image of the quantity measured (temperature, pressure, etc.),
- a regulator which develops a control voltage as a function of the difference between the measured value and a set value,
- a control device which translates this control voltage by the more or less frequent closing of the thyristors or power triacs. In this way, the average power supplied to the load can be varied between 0 to 100% of the nominal power.

La manière de commander l'ouverture et la fermeture des triacs ou des thyristors fait l'objet de nombreuses variantes et on connaît notamment
- la commande par variation de l'angle d'amorçage ou d'allumage des thyristors,
- la commande par trains d'ondes synchronisées dont la durée est fonction de la tension de commande, ce qui permet de faire varier le rapport cyclique de la commande proportionnellement au pourcentage de puissance requis par la charge,
- la commande syncopée ou par alternances isolées synchronisées, qui envoie le courant dans la ou les charges alternance par alternance. The manner of controlling the opening and closing of triacs or thyristors is the subject of many variants and we know in particular
- control by varying the angle of ignition or ignition of the thyristors,
- control by synchronized wave trains, the duration of which depends on the control voltage, which makes it possible to vary the duty cycle of the control in proportion to the percentage of power required by the load,
- syncopated or synchronized isolated alternating control, which sends the current in the alternating load (s) alternately.

Les deux derniers types de commande précédemment mentionnés peuvent faire l'objet de diverses réalisations et on connaît notamment le dispositif de commande de l'alimentation de charges à partir d'un réseau triphasé qui est proposé dans le brevet FR-A-2 590 741 au nom de la
Société EUROTHERM. Le dispositif décrit dans ce document est cependant très complexe puisqu'il nécessite, pour atteindre les objectifs cités plus haut, de disposer d'un circuit de commande numérique à base d'un microprocesseur contrôlant la mise en conduction des thyristors de chacune des trois phases en fonction de critères sur la tension des deux autres phases, notamment de leur sens d'évolution, les phases et les sens d'évolution desdites tensions étant permutées après une série de six déclenchements successifs de l'alimentation des charges.The last two types of control previously mentioned can be the subject of various embodiments and we know in particular the device for controlling the supply of loads from a three-phase network which is proposed in patent FR-A-2,590,741 in the name of
EUROTHERM company. The device described in this document is however very complex since it requires, to achieve the objectives mentioned above, to have a digital control circuit based on a microprocessor controlling the activation of the thyristors of each of the three phases according to criteria on the voltage of the other two phases, in particular their direction of evolution, the phases and the directions of evolution of said voltages being exchanged after a series of six successive trips of the load supply.

La présente invention vise à proposer un procédé de commande beaucoup plus simple et moins onéreux d'un gradateur monophasé ou triphasé pour l'alimentation de charges résistives, utilisant une commande syncopée par alternances isolées synchronisées des circuits de commutation de la tension d'alimentation sur lesdites charges, ce procédé étant caractérisé en ce que l'on génère un signal de commande par impulsions dont la fréquence est proportionnelle à la puissance moyenne à fournir à la charge d'une phase, ce signal de commande provoquant la commutation d'une seule alternance de la tension d'alimentation sur ladite phase dès le passage à zéro, soit sur front montant soit sur front descendant, de ladite tension d'alimentation. The present invention aims to propose a much simpler and less expensive control method of a single-phase or three-phase dimmer for the supply of resistive loads, using syncopated control by isolated synchronized alternations of the switching circuits of the supply voltage on said loads, this process being characterized in that a pulse control signal is generated whose frequency is proportional to the average power to be supplied to the load of a phase, this control signal causing the switching of a single alternation of the supply voltage on said phase from the zero crossing, either on a rising edge or on a falling edge, of said supply voltage.

Etant donné que la fréquence du signal de commande par impulsions peut varier dans une assez large mesure par rapport à la fréquence d'alimentation, tout en lui étant bien évidemment toujours inférieure, on comprend que le délai existant entre l'impulsion de commande et la commutation de la tension d'alimentation n'est pas fixe de ce fait, il est proposé, conformément à une caractéristique complémentaire de l'invention, de générer, à partir du signal de commande par impulsions, un signal logique de mémorisation à deux états, haut et bas, le passage au niveau logique haut se faisant de manière synchrone avec le signal de commande, et le passage au niveau logique bas se faisant de manière synchrone avec le passage par zéro de la tension d'alimentation, soit sur front montant soit sur front descendant, de sorte à ce que la commutation d'une seule alternance de ladite tension d'alimentation sur une phase se produise d'une manière synchrone avec le passage du signal de mémorisation depuis son niveau logique haut vers son niveau logique bas. Since the frequency of the pulse control signal can vary to a fairly large extent with respect to the supply frequency, while obviously always being lower, it is understood that the delay between the control pulse and the switching of the supply voltage is not fixed therefore, it is proposed, in accordance with an additional characteristic of the invention, to generate, from the pulse control signal, a logic signal for storage in two states , high and low, the transition to the high logic level being carried out synchronously with the control signal, and the passage to the low logic level being carried out synchronously with the zero crossing of the supply voltage, ie on a rising edge either on a falling edge, so that the switching of a single half-wave of said supply voltage to a phase occurs synchronously with the passage of the signal memorization from its high logic level to its low logic level.

Le procédé conforme à l'invention permet de réaliser un dispositif de commande composé d'un nombre restreint de circuits élémentaires, nettement moins couteux qu'un microprocesseur et ses périphériques, tout en offrant un mode de fonctionnement suffisamment fiable dans la plupart des applications. The method according to the invention makes it possible to produce a control device composed of a limited number of elementary circuits, significantly less expensive than a microprocessor and its peripherals, while offering a sufficiently reliable operating mode in most applications.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre d'un mode d'exécution d'un dispositif de commande pour gradateur monophasé donné à titre d'exemple non limitatif en référence au dessin annexé sur lequel
- la figure 1 est un schéma électrique synoptique simplifié du gradateur monophasé, à base d'une association de deux thyristors en parallèle montés tête-bêche, alimentant une résistance unique,
- les figures 2 à 7 sont des chronogrammes montrant les variations respectives, sur plusieurs cycles, du signal de synchronisation représentatif du passage à zéro de la tension d'alimentation, du signal de commande par impulsions, du signal logique de mémorisation, du signal de gâchette de l'un des thyristors, du signal de gâchette de l'autre thyristor et, enfin, de la tension syncopée par alternances isolées envoyée sur la résistance.Other characteristics and advantages of the invention will emerge more clearly from the description which follows of an embodiment of a control device for a single-phase dimmer given by way of nonlimiting example with reference to the appended drawing in which
FIG. 1 is a simplified block diagram of the single-phase dimmer, based on an association of two thyristors in parallel mounted head to tail, supplying a single resistor,
- Figures 2 to 7 are timing diagrams showing the respective variations, over several cycles, of the synchronization signal representative of the zero crossing of the supply voltage, of the pulse control signal, of the logic storage signal, of the signal trigger of one of the thyristors, of the trigger signal of the other thyristor and, finally, of the syncopated voltage by isolated alternations sent to the resistor.

Le gradateur monophasé représenté sur le dessin est destiné à réguler la puissance fournie à une résistance R de type purement résistif, par exemple une résistance chauffante. En série avec cette résistance R, il est ainsi monté un circuit de commutation 1, par exemple composé de deux thyristors en parallèle Th et Th' montés tête-bêche ces deux thyristors Th et Th' pourraient bien entendu être remplacés par un unique triac ou encore par des GTO. The single-phase dimmer shown in the drawing is intended to regulate the power supplied to a resistor R of the purely resistive type, for example a heating resistor. In series with this resistor R, a switching circuit 1 is thus mounted, for example composed of two thyristors in parallel Th and Th 'mounted head to tail these two thyristors Th and Th' could of course be replaced by a single triac or again by GTO.

La tension d'alimentation alternative V doit être commutée sur la résistance chauffante R de manière à ce que sa température soit constante et égale à une température de consigne T c fixée par un régulateur 2. A cet effet, le gradateur suivant l'invention est équipé d'une boucle d'asservissement comportant principalement une sonde en température 3, traduisant la température Tm de la résistance R en une grandeur électrique, par exemple une tension ; cette dernière tension sert à élaborer, dans un circuit de commande 4, un signal de commande par impulsions Vcom (fig. 3) dont la fréquence est proportionnelle à la différence entre les tensions représentatives des températures T c et T Cette fréquence peut normalement varier entre une valeur maximale, sensiblement égale ou légèrement supérieure à la fréquence de la tension d'alimentation alternative V et une valeur minimale pratiquement nulle. The AC supply voltage V must be switched to the heating resistor R so that its temperature is constant and equal to a set temperature T c set by a regulator 2. For this purpose, the dimmer according to the invention is equipped with a control loop mainly comprising a temperature probe 3, translating the temperature Tm of the resistance R into an electrical quantity, for example a voltage; this latter voltage is used to develop, in a control circuit 4, a pulse control signal Vcom (fig. 3) whose frequency is proportional to the difference between the voltages representative of the temperatures T c and T This frequency can normally vary between a maximum value, substantially equal to or slightly greater than the frequency of the AC supply voltage V and a minimum value practically zero.

Par ailleurs, le gradateur est pourvu d'un circuit de détection du passage à zéro, sur front montant, de la tension d'alimentation V ; ce circuit de détection, non représenté sur la figure 1, permet d'élaborer un signal de synchronisation Vsvn (fig. 2), formé d'impulsions courtes, qui sont synchrones avec le passage à zéro de la tension. Furthermore, the dimmer is provided with a circuit for detecting the zero crossing, on a rising edge, of the supply voltage V; this detection circuit, not shown in FIG. 1, makes it possible to develop a synchronization signal Vsvn (fig. 2), formed of short pulses, which are synchronous with the zero crossing of the voltage.

La fréquence de Vsvn est donc, en fait, égale à celle de la tension d'alimentation alternative V.The frequency of Vsvn is therefore, in fact, equal to that of the AC supply voltage V.

Le signal de commande Vcom et le signal de synchronisation Vsvn viennent attaquer un circuit de mémorisation 5 formant, à partir de ces deux signaux, un signal logique de mémorisation Vmem, dont l'allure est montré sur la figure 4. Selon le procédé conforme à l'invention, Vmem passe à son niveau logique haut chaque fois que le circuit de mémorisation 5 détecte une impulsion sur le signal de commande Vcom, et repasse à son niveau logique bas dès qu'il détecte une impulsion de synchronisation sur le signal Vsvn. A partir de la détection du front raide descendant du signal de mémorisation Vmem, le circuit de mémorisation 5 élabore un signal de commande du circuit de commutation 1 destiné à provoquer sa conduction pendant une alternance, et une seule, de la tension d'alimentation V ; dans le cas du gradateur monophasé ici représenté à titre d'exemple, ce signal de commande consiste à envoyer des signaux adéquats i g et igt (fig.5 et 6) sur chacune des gâchettes des thyristors Th et Th'. La conformation exacte de ces signaux est parfaitement connue de l'homme du métier ordinaire et ne sera pas développé ici plus en détail ; en outre, le cas d'un gradateur monophasé n'a pas d'intérêt pratique et la commande des gâchettes des thyristors d'un gradateur triphasé, à partir d'un signal de déclenchement tel que le front descendant de Vmem, est également parfaitement connue. The control signal Vcom and the synchronization signal Vsvn drive a storage circuit 5 forming, from these two signals, a logic storage signal Vmem, the shape of which is shown in FIG. 4. According to the method according to the invention, Vmem goes to its high logic level each time the storage circuit 5 detects a pulse on the control signal Vcom, and returns to its low logic level as soon as it detects a synchronization pulse on the signal Vsvn. From the detection of the steep falling edge of the storage signal Vmem, the storage circuit 5 generates a control signal for the switching circuit 1 intended to cause its conduction during alternation, and only one, of the supply voltage V ; in the case of the single-phase dimmer shown here as an example, this control signal consists of sending adequate signals i g and igt (fig. 5 and 6) to each of the triggers of the thyristors Th and Th '. The exact conformation of these signals is perfectly known to the person skilled in the art and will not be developed here in more detail; in addition, the case of a single-phase dimmer is not of practical interest and the control of the thyristor triggers of a three-phase dimmer, from a trigger signal such as the falling edge of Vmem, is also perfectly known.

La tension Vr monophasée aux bornes de la résistance R est illustrée sur la figure 7. On constate que cette tension Vr est syncopée et comporte des alternances entières et isolées de la tension d'alimentation V chaque fois que le signal Vmem présente un front descendant. Dans le cas représenté sur les figures annexées, seulement 3 alternances sur 7 sont envoyées sur la résistance R, ce qui correspond à une puissance moyenne égale à 3/7 de la puissance maximale pouvant être délivrée à cette résistance R. En comparaison à une commande par trains d'ondes qui prévoierait, dans un cas identique, une conduction des thyristors de 3 alternances successives suivies de 4 périodes de non conduction, on comprend que l'ondulation de la tension moyenne, ou du courant moyen, soit moindre. The single-phase voltage Vr at the terminals of the resistor R is illustrated in FIG. 7. It can be seen that this voltage Vr is syncopated and includes entire alternations isolated from the supply voltage V each time the signal Vmem has a falling edge. In the case shown in the appended figures, only 3 half-waves of 7 are sent to the resistor R, which corresponds to an average power equal to 3/7 of the maximum power that can be delivered to this resistor R. In comparison to a command by wave trains which would provide, in an identical case, for a thyristor conduction of 3 successive half-waves followed by 4 non-conduction periods, it is understood that the ripple of the average voltage, or of the average current, is less.

On observera enfin que, dans le cas le plus courant d'un gradateur triphasé avec réseau en étoile sans neutre, l'association de deux thyristors par phase est classiquement remplacée par une association thyristor/diode sans que le principe de la commande soit modifié. Finally, it will be observed that, in the most common case of a three-phase dimmer with star network without neutral, the association of two thyristors per phase is conventionally replaced by a thyristor / diode association without the principle of the control being modified.

Claims

1 - Method for controlling a single-phase or three-phase dimmer for the supply of resistive loads (R), using syncopated control, by synchronized isolated alternations, of the switching circuits (1) of the supply voltage (V) on said loads (R), characterized in that a pulse control signal (Vcom) is generated whose frequency is proportional to the average power to be supplied to the load (R) of a phase of the supply, this control signal (Vcom) causing the switching of a single alternation of the supply voltage (V) on said phase from the zero crossing, either on rising edge or on falling edge, of said supply voltage (V) .

2 - Method of controlling a dimmer according to claim 1, characterized in that one generates, from the pulse control signal (Vcom), a logic storage signal (Vmem) with two states, high and low , the passage to the high logic level being carried out synchronously with the control signal (Vcom), and the passage to the low logic level being carried out synchronously with the passage of the supply voltage (V) to zero, ie on rising edge is on falling edge, so that the switching of a single half-wave of said supply voltage (V) to a phase occurs synchronously with the passage of the storage signal (Vmem) from its logic level high to its logic level low.

3 - Application of the control method according to any one of the preceding claims to single-phase and three-phase dimmers for the regulation of the power delivered in purely resistive loads.

4 - Application of the control method according to any one of the preceding claims to single-phase and three-phase dimmers for regulating the temperature of heating resistors.