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Dokumentenidentifikation DE3534066C2 15.02.1990
Titel Schaltungsanordnung zur netzfrequenzunabhängigen Leistungsstellung und zur Kompensation von Parameterstreuungen bei der Phasenanschnittsteuerung
Anmelder Telefunken Electronic GmbH, 7100 Heilbronn, DE
Erfinder Nutz, Karl-Diether, Dipl.-Ing., 7101 Oedheim, DE
DE-Anmeldedatum 25.09.1985
DE-Aktenzeichen 3534066
Offenlegungstag 16.04.1987
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 15.02.1990
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.02.1990
IPC-Hauptklasse H02M 1/08
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur netzfrequenzunabhängigen Leistungsstellung und zur Kompensation von Parameterstreuungen bei der Phasenanschnittsteuerung mit einer Zündimpulsformereinheit, in der durch Vergleichsbildung einer Steuer- oder Regelspannung mit einer periodischen Vergleichsspannung ein Zündimpuls für einen Phasenanschnittwinkel erzeugt wird. Über gesteuerte Stromquellen wird die periodische Vergleichsspannung in ihrem zeitlichen Verlauf so beeinflußt, daß sie am Ende der Periodendauer der Netzfrequenz ein festes, vorgegebenes Spannungspotential erreicht.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur netzfrequenzunabhängigen Leistungsstellung und zur Kompensation von Parameterstreuungen bei der Phasenanschnittsteuerung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der DE-PS 26 37 781 bekannt. Bei der bekannten Schaltung erfolgt die Flankensteuerung der Vergleichsspannung durch analoge Schaltungsmittel unter Verwendung einer weiteren Kapazität.

Bei Schaltungsanordnungen für die Phasenanschnittsteuerung ergeben sich aufgrund von Bauelementtoleranzen Streuungen für den Phasenanschnittwinkel α bei vorgegebenen Steuerspannungen.

Außerdem ist die Leistungsstellung dabei nicht unabhängig von der Netzfrequenz.

Um beispielsweise die Streuungen von Bauelementen wie Kapazitäten oder Widerständen zu kompensieren, sind Abgleichvorgänge und Justagen notwendig.

Betreibt man beispielsweise eine Schaltungsanordnung zur Phasenanschnittsteuerung statt an einer Netzspannung mit 50 Hz an einem Netz mit einer anderen Frequenz, ist die vorgegebene, eingestellte Leistungsübertragung nicht mehr die gleiche. Bei linear verlaufenden periodischen Vergleichsspannungen wird deshalb durch Variation von Widerständen oder Kapazitäten der Verlauf der periodischen Vergleichsspannung auf die aktuelle Netzfrequenz so eingestellt, daß der einmal gewählte Stellbereich vollständig erhalten bleibt.

Deshalb liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine weitestgehend digitalisierte Schaltungsanordnung für eine Phasenanschnittsteuerung anzugeben, die keine Abgleichvorgänge erforderlich macht und ohne zusätzliche Kapazitäten auskommt und die an Netzspannung mit verschiedenen Frequenzen betrieben werden kann, ohne daß dabei der Stellbereich geändert werden muß.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung hat den wesentlichen Vorteil, daß beispielsweise bei Betreiben eines Verbrauchers an einem Mehr-Phasennetz mit beispielsweise drei Phasen keine Selektion von Schaltkreisen, die monolithisch integriert sind, erfolgen muß.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und soll im folgenden näher beschrieben werden: Es zeigt

Fig. 1: ein Blockschaltbild zur netzfrequenzunabhängigen Leistungsstellung und Kompensation von Parameterstreuungen bei der Phasenanschnittsteuerung.

Fig. 2: Impulsdiagramme und Signalverlauf der periodischen Vergleichsspannung UV.

Fig. 3: Die Leistungskennlinie P(α) für die Phasenanschnittsteuerung bei ohmschem Verbraucher.

Das in Fig. 1 gezeigte Blockschaltbild zeigt eine Kapazität C, deren einer Anschluß mit der konstanten Versorgungsspannung US und deren anderer Anschluß mit dem Ausgang der Synchronisiereinrichtung Syn, dem negativen Eingang der Komparatorstufe K, dem Ausgang der gesteuerten Stromquellen In und der Zündimpulsformereinheit 1 verbunden ist.

Der positive Eingang der Komparatorstufe K ist mit der Referenzspannung URef, die identisch mit der Festspannung Uf ist und auf Nullspannungspotential liegt, verbunden, und der Ausgang der Komparatorstufe K ist einem Eingang des AND-Gatters AND3 und dem Reset-Eingang R2 der zweiten bistabilen Kippstufe FF2 zugeführt. Dem negierenden Eingang des AND-Gatters AND3 ist das aus dem Nulldurchgang der Netzfrequenz f0 abgeleitete zweite Signal U2 mit der Impulsdauer T2 zugeführt, und der Ausgang dieses AND-Gatters ist mit dem Set-Eingang S1 der ersten bistabilen Kippstufe FF1 verbunden.

Der Zündimpulsformereinheit 1 ist die Steuerspannung USt zugeführt, die den für einen Phasenanschnittwinkel a benötigten Zündimpuls UZ sowie ein davon abgeleitetes Signal UZ1 abgibt, welches dem Reset-Eingang R1 der ersten und dem Set-Eingang S2 der zweiten bistabilen Kippstufe FF1 bzw. FF2 zugeführt ist.

Die Ausgänge Q1 bzw. Q2 von erster bzw. zweiter bistabiler Kippstufe FF1 bzw. FF2 sind einem Eingang eines zugeordneten AND-Gatters AND1 bzw. AND2 zugeführt, deren anderer Eingang jeweils von dem aus dem Nulldurchgang der Netzfrequenz f0 abgeleiteten ersten Signal U1 mit der Impulsbreite T1 angesteuert wird.

Der Ausgang des ersten AND-Gatters AND1 bzw. der Ausgang des zweiten AND-Gatters AND2 ist dem Rückwärtseingang RE bzw. dem Vorwärtseingang VE des Vorwärts-Rückwärts- Zählers VR-Z zugeführt, dessen Ausgang mit dem Digital-Analog Wandler D/A verbunden ist, der die Stromquellen In ansteuert.

Das Funktionsprinzip des in Fig. 1 gezeigten Blockschaltbildes soll anhand der Fig. 2 erläutert werden:

Mit jedem Nulldurchgang der Netzwechselspannung UN in Fig. 2a werden die beiden zum Nulldurchgang symmetrischen Signale U1 bzw. U2 gemäß Fig. 2c bzw. 2b gebildet. Dabei weist das Signal U2 die Impulsdauer T2 auf, die signifikant länger als die Impulsdauer T1 des Signals U1 ist.

Die Kapazität C ist am Ende jeder Periode T der Netzfrequenz f0 auf das Niveau der konstanten Versorgungsspannung US geladen und wird über den Zeitraum der Periodendauer T mittels der gesteuerten Stromquellen In entladen, gemäß Fig. 2d.

Dabei wird die Spannung UV der Kapazität C an der Komparatorstufe K mit der Referenzspannung URef, verglichen, und der Ausgang der Komparatorstufe K nimmt dann einen logischen High-Pegel an, wenn das Signal UV kleiner als die Referenzspannung URef geworden ist.

Mit dem Signal U2 erfolgt am AND-Gatter AND3 eine logische Verknüpfung dergestalt, daß der Ausgang des AND-Gatters AND3 dann einen logischen High-Pegel annimmt, wenn das Signal UV zeitlich vor der Low-High-Flanke des Signals U2 den Spannungspegel von URef unterschritten hat. Dann wird die erste bistabile Kippstufe FF1 gesetzt und deren Ausgangssignal wird mit dem Signal U1 im AND-Gatter AND1 verknüpft und über den Rückwärtszähler- Eingang RE des Vorwärts-Rückwärts-Zählers VR-Z wird dessen Zählerstand um einen Schritt zurückgesetzt. Der Digital-Analog-Wandler wandelt diesen Zählerstand in eine entsprechende analoge Größe, mit der die gesteuerten Stromquellen In so angesteuert werden, daß der Entladevorgang an der Kapazität C langsamer vor sich geht, d. h. daß der zeitliche Verlauf der Spannung UV flacher wird.

Für den Fall, daß die Spannung UV die Referenzspannung vor der Low-High-Flanke des Signals U1 nicht unterschreitet, wirkt sich der damit verbundene Low-Pegel der Komparatorstufe K folgendermaßen aus:

Mit jedem aus dem Zündimpuls UZ abgeleiteten Signal UZ1 wird die zweite bistabile Kippstufe FF2 über den Set-Eingang S2 gesetzt. Dabei kann das Signal UZ1 eine beliebige Phasenlage zwischen 0 und 180° haben, mit Ausnahme des Bereichs um den Nulldurchgang der Netzfrequenz f0, der durch die Impulsdauer T1 des Signals U1 gegeben ist.

Der Ausgang Q2 der zweiten bistabilen Kippstufe FF2 bleibt durch das Signal UZ1 gesetzt und zum Zeitpunkt des Auftretens der Impulsdauer T1 des Signals U1 schaltet das zweite AND-Gatter AND2 durch auf den Vorwärts-Eingang des Vorwärts-Rückwärts-Zählers VR-Z, dessen Zählerstand um einen Schritt erhöht wird. Der Digital-Analog- Wandler setzt diesen Zählerstand in eine analoge Größe um, mit der die gesteuerten Stromquellen so angesteuert werden, daß der Entladevorgang der Kapazität C schneller vor sich geht, d. h. daß der zeitliche Verlauf der Spannung in Fig. 2d steiler wird.

Wenn die periodische Vergleichsspannung UV die Referenzspannung URef vor dem Beginn der Impulsdauer T1, aber nach dem Beginn der Impulsdauer von T2 erreicht, sind beide bistabile Kippstufen bei Auftreten der Impulsdauer T1 im rückgesetzten Zustand, so daß sich keine Änderung für die Steilheit des periodischen Vergleichssignals UV ergibt.

Hat das periodische Vergleichssignal UV einen linearen zeitlichen Verlauf, ist prinzipiell nur eine gesteuerte Stromquelle In zur Beeinflussung der Steilheit notwendig.

Wird das periodische Vergleichssignal UV durch einen Polygonzug mit mehreren Segmentabschnitten an die Leistungsfunktion P(α) für ohmsche Verbraucher bei der Phasenanschnittsteuerung gemäß Fig. 3 angenähert, sind beispielsweise für die fünf Segmentabschnitte I, II, III, IV, V drei unterschiedlich gesteuerte Stromquellen In notwendig, um eine Approximation an die Leistungsfunktion P(α) vorzunehmen, da diese Funktion punktsymmetrisch zu einem transformierten Koordinatensystem (x&min;, y&min;) ist, welches seinen Ursprung bei einem Phasenanschnittwinkel α = 90° und einer Leistungsübertragung von 50% hat, und dadurch mit drei unterschiedlichen Steigungen für die fünf Segmentabschnitte beschrieben werden kann.

Die Funktion der Leistungskennlinie P(α) kann durch eine mathematische Funktion der Art

y = S sin 2α + (π - α)

beschrieben werden.

Dazu steuert ein nicht dargestellter Logikteil die verschiedenen Stromquellen In in Abhängigkeit vom momentanen Spannungspegel der periodischen Vergleichsspannung UV an, während die Netzfrequenzunabhängigkeit und Parameterkompensation durch eine Überlagerungsgröße, die vom Digital-Analog-Wandler (D/A) erfindungsgemäß beeinflußt wird, geregelt ist.


Anspruch[de]
  1. 1. Schaltungsanordnung zur netzfrequenzunabhängigen Leistungsstellung und zur Kompensation von Parameterstreuungen bei der Phasenanschnittsteuerung mit einer Zündimpulsformereinheit (1), in der durch Vergleichsbildung einer Steuer- oder Regelspannung (USt) mit einer periodischen Vergleichsspannung (UV) ein Zündimpuls (UZ) für einen Phasenanschnittwinkel (α) erzeugt wird, wobei die periodische Vergleichsspannung (UV) als Lade- bzw. Entladespannung einer Kapazität (C), die mittels mindestens einer gesteuerten Stromquelle (In) entladen und eines netzfrequenten Synchronisiersignals (USyn) geladen wird, entsteht und wobei die periodische Vergleichsspannung UV) über die gesteuerte Stromquelle (In) im eingeregelten Zustand in ihrem zeitlichen Verlauf so beeinflußt wird, daß sie am Ende der Periodendauer (T) der Netzfrequenz (f0) ein festes, vorgegebenes Spannungspotential (Uf) insbesondere Nullspannungspotential, erreicht, dadurch gekennzeichnet, daß die gesteuerte Stromquelle (In) über einen Digital-Analog-Wandler (D/A) von einem Vorwärts- Rückwärts-Zähler (VR-Z) als Bestandteil einer Logikeinheit (L) angesteuert wird, der aus dem Nulldurchgang der Netzfrequenz (f&sub0;) abgeleitete Signale (U&sub1;, U&sub2;) unterschiedlicher Impulsdauer (T&sub1;, T&sub2;) zugeführt sind, durch die der Zählmodus des Vorwärts-Rückwärts-Zählers (VR-Z) in Abhängigkeit von der jeweiligen Lage des Schnittpunktes der periodischen Vergleichsspannung (UV) mit einer Referenzspannung (URef) gesteuert wird.
  2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das feste vorgegebene Spannungspotential (Uf) identisch mit der Referenzspannung (URef) ist.
  3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Vergleichsspannung (UV) und die Referenzspannung (URef) über eine Komparatorstufe (K) verglichen werden, deren Ausgangssignal (UK) und ein aus dem Zündimpuls (UZ) abgeleitetes Signal (UZ 1) der Logikeinheit (L) zugeführt wird.
  4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Vergleichsspannung (UV) und die Referenzspannung (URef) über eine Komparatorstufe (K) verglichen werden, deren Ausgangssignal (UK) über ein drittes AND-Gatter (AND&sub3;) mit dem Setz-Eingang (S&sub1;) einer ersten bistabilen Kippstufe (FF&sub1;) verbunden ist, wobei ein weiterer Eingang des dritten AND-Gatters (AND&sub3;) vom zweiten aus dem Nulldurchgang der Netzfrequenz (f&sub0;) abgeleiteten Signal (U&sub2;), das die größere Impulsdauer (T&sub2;) aufweist, beaufschlagt ist, daß das Komparator-Ausgangssignal (UK) außerdem den Rücksetz-Eingang (R&sub2;) einer zweiten bistabilen Kippstufe (FF&sub2;) beaufschlagt, daß ein aus dem Zündimpuls (UZ) abgeleitetes Signal (UZ 1) sowohl den Rücksetz-Eingang (R&sub1;) der ersten bistabilen Kippstufe (FF&sub1;) als auch den Setz-Eingang (S&sub2;) der zweiten bistabilen Kippstufe (FF&sub2;) beaufschlagt, daß der Rückwärtseingang (RE) des Vorwärts-Rückwärts-Zählers (VR-Z) über ein erstes AND-Gatter (AND&sub1;) mit dem Ausgang der ersten bistabilen Kippstufe (FF&sub1;) und der Vorwärtseingang (VE) über ein zweites AND-Gatter (AND&sub2;) mit dem Ausgang der zweiten bistabilen Kippstufe (FF&sub2;) verbunden ist, wobei jeweils der weitere Eingang des ersten (AND&sub1;) und des zweiten AND-Gatters (AND&sub2;) vom ersten aus dem Nulldurchgang der Netzfrequenz (f&sub0;) abgeleiteten Signal (U&sub1;), das die kleinere Impulsdauer (T&sub1;) aufweist, beaufschlagt ist.
  5. 5. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Vergleichsspannung (UV) zeitlich linear verläuft oder durch einen Polygonzug an die Leistungskennlinie (P(α)) für die Phasenanschnittsteuerung angenähert ist.






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