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Dokumentenidentifikation DE4100655A1 16.07.1992
Titel Verfahren zur Regelung des cos. phi bei der Umwandlung elektrischer Energieformen
Anmelder Plüddemann-Lenz, Gerhard, 6967 Buchen, DE
Erfinder Plüddemann-Lenz, Gerhard, 6967 Buchen, DE
DE-Anmeldedatum 11.01.1991
DE-Aktenzeichen 4100655
Offenlegungstag 16.07.1992
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.07.1992
IPC-Hauptklasse G05F 1/70
IPC-Nebenklasse H02M 7/44   
Zusammenfassung In Gleichspannungsform vorliegende elektrische Energie wird durch leistungselektronische Einrichtungen in wechselspannungsförmige Energie umgewandelt. Die dabei auftretende Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung der wechselspannungsförmigen Energie kann hier durch ein besonderes regelungstechnisches Verfahren auf einen bestimmten, gewünschten Wert eingestellt werden (Im Normalfall auf cos phi = 1).

Beschreibung[de]

Die Erfindung hat besondere Bedeutung in allen Energieelektronischen Einrichtungen, bei denen elektrische Energie in Gleichstromform vorliegt und der Wunsch besteht, diese Energie einem vorhandenen Wechselstromnetz möglichst verlustfrei zuzuführen. Derartige Geräte sind unter der marktüblichen Bezeichnung "Inverter" im Handel. Als Beispiele sind hier zu nennen:

  • - Inverter zur Umwandlung von Energie aus Photovoltaikgeneratoren (Photoelektrische Solarzellen)
  • - Inverter zur Umwandlung von Energie aus Windkraft- oder Wasserkraftgeneratoren
  • - Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV-Anlagen)


Eine wesentliche Anforderung an diese Geräte ist die Phasenübereinstimmung von Strom und Spannung im Ausgangskreis (Wechselstromseite). Diese Relation bestimmt den Leistungsfaktor cos phi, der sich errechnet aus:



Im Idealfall ist der cos phi=1.

In einfachen, bisher üblichen Geräten wird das den Wechselstrom produzierende Leistungsstellglied direkt von einem der Netzspannung abgeleiteten Stellwert angesteuert. Dies hat zur Folge, daß sich der ergebende Wechselstrom entsprechend der Ausgangsimpedanz einstellt und der sich ergebende Phasenverschiebungswinkel cos phi nicht konstant ist.

In der vorliegenden Erfindung läßt sich der cos phi beliebig einstellen und somit optimal anpassen.

Die vorliegende Erfindung erlaubt die konstante Einstellung des cos phi in weiten Grenzen. Dies wird durch den Einsatz von Stromregelkreisen (11) zur Ansteuerung des Leistungsstellglieds (13) erreicht. Ein Meßabgriff im Phasenstrom der Wechselspannungsseite (15) liefert den Istwert, eine Sollwertschaltung (die in vielfacher Weise ausgeführt sein kann aber zum besseren Verständnis im folgenden beispielhaft beschrieben ist) liefert den Sollwert (16) in der gewünschten Kurvenform (im Allgemeinen Sinus) und sorgt im Zusammenspiel mit dem Leistungsstellglied (13) und die diesem zugeführte Gleichspannungsenergie (14) für die exakte Kopie des Sollwerts auf den Istwert (15), indem ein elektronischer Regelkreis (11) mit P oder PI-Beschaltung (12) aus dem ständigen Vergleich von Soll- und Istwert die Stellgröße (17) für das Leistungsteil (13) derart gestaltet, daß sich die Subtraktion von Soll minus Istwert (24) zu "Null" ergibt und somit der Stromistwert (24) ein genaues Abbild des Stromsollwerts (16) ist.

Das Leistungsteil (13) kann eine in bekannter Technik ausgeführte pulsweitenmodulierte Transistorbrücke sein, wobei die im Ausgang entstehende Strom- und Spannungswelligkeit durch eine Filterschaltung (23) geglättet wird.

Auf diese Weise kann also einer vorhandenen Spannungskurvenform (22) eine Stromkurve (15) zugeordnet werden, die in ihrer Phasenlage zur Spannung (22) durch die Phasenlage eines Sollwerts (16) willentlich und lastunabhängig (in diesem Fall durch S1 bis S7) bestimmt werden kann.

Beispiel zur Erzeugung des Strom-Sollwerts

Ein Abgriff der vorhandenen Netzspannung liefert nach Bearbeitung durch einen Schwellwertschalter (1) ein netzsynchrones, digitales Signal (2). Ein PLL-Schaltung (Phase-Locked-Loop), bestehend aus einem VCO (Voltage-Controlled-Oscillator) und einer logischen Verknüpfungsschaltung (3) bringt das netzsynchrone Digitalsignal (2) mit dem intern erzeugten VCO-Signal (18) in feste Phasenbeziehung, wobei der PLL-Baustein in frequenzvervielfachender Art betrieben wird:

Er erzeugt in fester Phasenbeziehung ein 8-bit- Digitalsignal über einen Digitalzähler im NBCD- Code (5). Die feste Phasenbeziehung wird dabei durch den Vergleich des hochwertigen Zählerbits (4) mit dem Synchronisationssignal (2) über ein Exor-Gatter (19) hergestellt, das wiederum den VCO ansteuert und so - konstante Frequenz vorausgesetzt - die Phasenlage auf einen konstanten Wert regelt (diese Schaltung entspricht bekannter Technik).

Ein digitaler Addierer (6) addiert diesem Wert einen über Code-Schalter S1 bis S7 (7) frei wählbaren Wert zu. Dieser Wert ist digital mit 8-bit Wortbreite und kann somit 256 verschiedene Zustände annehmen. Diese Addition entspricht der vorher beschriebenen willkürlich wählbaren Phasenbeziehung, die hier entsprechend 8 bit in 256 Schritten vorgenommen werden kann. Dieses Signal wird nun einem digitalen Programmbaustein (9) als Adresse zugeführt (21), dessen fest programmierte Zuordnung den Digitalwert als 8-bit-Datenausgang (21) in Sinusform statisch wandelt (linear/sinuswandlung). Dieser gewonnene Digitalwert wird mit Hilfe eines Digital/Analogwandlers (9) in einen Analogwert (16) gewandelt, der hier als Strom-Sollwert bezeichnet wird. Die gleichzeitige multiplizierende Eigenschaft des Wandlers erlaubt dabei die genaue Amplitudeneinstellung des Strom-Sollwerts (16) durch ein Gleichspannungssignal (10).

Generell liefert die Anwendung der Stromregelung den Vorteil, die Ausgangssignale der Strommeßstelle (15) außer zur Regelung auch zur Überwachung einzusetzen. Erkennung von Überlastströmen oder Kurzschlüssen bringen hier ein deutliches Plus an Betriebssicherheit gegenüber herkömmlichen Geräten.

Durch Verwendung von Strommeßstellen (15), die in der Lage sind, auch Gleichströme zu messen, ergibt sich weiterhin der Vorteil der Überwachung von unzulässigen Gleichstromanteilen im Ausgangsstrom, was eine Verwendung eines Geräts ohne den sonst üblichen, teuren und schweren Ausgangstransformator möglich macht.


Anspruch[de]
  1. 1. Elektronische Schaltungsanordnung, bestehend aus mindestens einem Meßabgriff für eine stromproportionale Meßgröße in Form einer Spannung (15), einer Phasensynchronisationsschaltung (PLL- Schaltung) (3), einer digitalen Zählerschaltung (5), einer digitalen Addierschaltung (6; 7), eines digitalen Wandlers (PROM) für ein lineares Digitalsignal im NBCD-Code in eine oder mehrere digitale Codefolgen (8), die nach Umwandlung in einem sich anschließenden Digital/Analog Wandler (9; 10) eine oder mehrere alternierende, im allgemeinen sinusförmige Spannungsverläufe produzieren (16), dadurch gekennzeichnet, daß dieses Ausgangssignal als Strom- Sollwert (16) einem Stromregelkreis (11) mit P- oder PI-Verhalten (12) zugeführt wird, dessen Ausgangssignal (17) wiederum als Stellwert für den Aussteuerungsgrad eines allgemein bekannten elektronischen Leistungsstellglieds (13) mit Vier-Quadranten Fähigkeit in pulsweitenmodulierter Technik dient. In bekannter Technik übernimmt dieses Leistungsstellglied die Umwandlung von Gleichspannungsenergie (14) in eine durch den Strom-Sollwert (16) vorgegebene, in diesem Falle wechselspannungstransportierte Energieform (22).
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Codeumwandlung eine Kurve erzeugt, die zum Aufbau eines sinusförmigen einphasigen Ausgangsstroms dient.
  3. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Codeumwandlung (PROM) zwei um 120 Grad elektrisch phasenverschobener Kurven erzeugt, die zum Aufbau eines sinusförmigen Drehstromsystems dienen, wobei zwei Strommeßabgriffe, zwei Stromregelkreise und ein dreiphasig-ansteuerbares Leistungsstellglied zum Einsatz kommen.
  4. 4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Codeumwandlung andere als Sinuskurvenformen erzeugt.
  5. 5. Anordnung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Anwendung kommenden Strommeßabgriffe in der Lage sind Gleichströme zu messen.
  6. 6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung durch die Möglichkeit der Gleichstromüberwachung ohne netzseitigen Transformator betrieben werden kann.
  7. 7. Anordnung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren in Einrichtungen zum Einsatz kommt, die elektrische Energie in Gleichstromform derart in Wechselstrom umwandeln, daß diese Energie einem Wechselstromnetz zugeführt werden kann.
  8. 8. Anordnung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren in Einrichtungen zum Einsatz kommt, die der induktiven- und kapazitiven Blindstromkompensation dienen.






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