DE1257272B

DE1257272B - Device for controlling the effective value of the alternating voltage at a consumer

Info

Publication number: DE1257272B
Application number: DE1962S0081436
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Dr Werner Volkmann
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1962-09-13
Filing date: 1962-09-13
Publication date: 1967-12-28

Description

Einrichtung zum Steuern des Effektivwertes der Wechselspannung an einem Verbraucher Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Effektivwert einer Wechselspannungsgröße an einem Verbraucher zu verändern. Eine einfache Lösung dieser Aufgabe besteht darin, den Verbraucher über zwei antiparallelgeschaltete Thyristoren an eine Wechselspannungsquelle anzuschließen. Hierbei ist jeder Halbwelle der Speisewechselspannung eines der beiden Thyristoren zugeordnet. Den Thyristoren werden abwechselnd in aufeinanderfolgenden Halbwellen Zündimpulse zugeführt, so daß der Verbraucher von einem Wechselstrom durchflossen wird. Der Effektivwert dieses Wechselstromes hängt dabei von der Phasenlage der Zündimpulse innerhalb der einzelnen Halbwellen der Speisewechselspannung ab.Device for controlling the effective value of the alternating voltage a consumer The invention is based on the object, the effective value of a To change alternating voltage size at a consumer. A simple solution to this The task is to supply the consumer via two anti-parallel connected thyristors to be connected to an AC voltage source. Here, each half-wave is the AC supply voltage assigned to one of the two thyristors. The thyristors are alternately in successive Half-wave firing pulses are supplied so that the consumer is powered by an alternating current is traversed. The effective value of this alternating current depends on the phase position of the ignition pulses within the individual half-waves of the AC supply voltage.

Das Problem bei einer solchen Anordnung besteht darin, den antiparallelgeschalteten Thyristoren Ansteuerimpulse von genau dem gleichen Phasenwinkel x zuzuführen. Eine Anordnung zur Lösung dieses Problems ist bereits bekanntgeworden. Sie besteht im wesentlichen aus einer Verteilerschaltung, die den antiparallelgeschalteten Thyristoren je nach der Polarität der anliegenden Wechselspannungshalbwellen einen Zündimpuls zuführt. Diese Zündimpulse werden von einer Zeitschaltung geliefert, die im Prinzip aus einem über einen Transistor aufladbaren RC-Gliedes steht. Dabei kann die Entladezeit des Kondensators durch eine Steuerspannung verändert werden. Die Thyristoren werden angesteuert, wenn der Kondensator entladen ist und dadurch ein zweiter Transistor aufgesteuert wird. Der die Entladung des Kondensators steuernde Transistor wird jeweils bei den Nulldurchgängen der Wechselspannung angesteuert, d. h. also in jeder vollständigen Periode der Wechselspannung zweimal. Zur Synchronisierung der Ansteuerimpulse mit der Wechselspannung werden aus dieser Wechselspannung durch eine Begrenzerschaltung jeweils beim Nulldurchgang der Wechselspannung positive Synchronisierimpulse erzeugt, die den ersten Transistor sperren. Dabei wird der Kondensator aufgeladen. Er wird erst wieder entladen, wenn der erste Transistor leitend gesteuert wird. Dabei wird der Phasenwinkel x durch die Entladezeit bestimmt.The problem with such an arrangement is that the anti-parallel Supply thyristors with drive pulses of exactly the same phase angle x. One Arrangement for solving this problem has already become known. It consists in essentially from a distribution circuit, which the anti-parallel connected thyristors an ignition pulse depending on the polarity of the alternating voltage half-waves feeds. These ignition pulses are supplied by a timer, which in principle consists of an RC element that can be charged via a transistor. The discharge time of the capacitor can be changed by a control voltage. The thyristors are triggered when the capacitor is discharged and thus a second transistor is turned on. The transistor controlling the discharge of the capacitor will driven at the zero crossings of the alternating voltage, d. H. so in everyone full cycle of alternating voltage twice. To synchronize the control pulses with the alternating voltage are converted from this alternating voltage by a limiter circuit positive synchronization pulses generated at the zero crossing of the alternating voltage, which block the first transistor. The capacitor is charged in the process. He will only discharged again when the first transistor is turned on. It will the phase angle x is determined by the discharge time.

Dadurch; daß die Aufladung des Kondensators jeweils im Nulldurchgang der Wechselspannung beginnt, können die Thyristoren beim Phasenwinkel x = 0 nicht gezündet werden.Through this; that the charging of the capacitor in each case in the zero crossing the alternating voltage begins, the thyristors at the phase angle x = 0 cannot be ignited.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Steuerung der Energiezufuhr zu einem Verbraucher, der über zwei antiparallelgeschaltete Thyristoren an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen ist, bestehend aus einer Impulsquelle, die synchron zu den einzelnen Halbwellen der Wechselspannung Impulse liefert, deren Phasenlage gegenüber der Wechselspannung veränderbar ist, aus einem Impulsverteiler, der im Takt der Halbwellen der Wechselspannung die Impulse der Impulsquelle abwechselnd auf die beiden Thyristoren verteilt, aus einer Einrichtung, die zur Synchronisierung der Impulsquelle mit der Verbraucherwechselspannung diese Wechselspannung mit einem Zweiwegegleichrichter gleichrichtet und die die so gewonnene Hilfsspannung über einen Transistor zur Steuerung der Aufladung eines Kondensators benutzt, dessen Entladegeschwindigkeit die Phasenlage der Impulse bestimmt.The invention relates to an arrangement for controlling the energy supply to a consumer that is connected to a AC voltage source is connected, consisting of a pulse source that synchronously to the individual half-waves of the alternating voltage supplies pulses whose The phase position with respect to the alternating voltage can be changed from a pulse distributor, which alternates the pulses of the pulse source in the cycle of the half-waves of the alternating voltage distributed between the two thyristors, from a device responsible for synchronization the pulse source with the consumer alternating voltage, this alternating voltage with a Two-way rectifier rectifies and the auxiliary voltage obtained in this way uses a transistor to control the charging of a capacitor, its Discharge speed determines the phase position of the pulses.

Der Zweck der Erfindung besteht darin, Zündimpulse auch in der Nähe des Nulldurchganges der Wechselspannung, d. h. mit einem Phasenwinkel x = 0 zu erzeugen.The purpose of the invention is to provide ignition pulses also in the vicinity the zero crossing of the alternating voltage, d. H. with a phase angle x = 0.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Aufladezeit des Kondensators durch eine monostabile Kippstufe bestimmt ist, durch deren Ausgangssignal der Transistor durchsteuerbar ist und daß als Steuerspannung die Hilfsspannung zusammen mit einer Gleichspannung solcher Größe und Polarität an die monostabile Kippstufe angeschlossen ist, daß die Aufladung des Kondensators schon vor den Nulldurchgängen der Wechselspannung beginnt.The invention is characterized in that the charging time of the Capacitor is determined by a monostable multivibrator, by its output signal the transistor can be controlled and that the auxiliary voltage together as the control voltage with a DC voltage of such magnitude and polarity to the monostable multivibrator is connected that the charging of the capacitor even before the zero crossings the alternating voltage begins.

Dabei ist zweckmäßigerweise die Größe der Gleichspannung in Abhängigkeit von den einzustellenden Steuerwinkeln so veränderbar, daß der Beginn der Aufladung des Kondensators bei kleineren Steuerwinkeln den Nulldurchgängen der Wechselspannungen mehr voreilt als bei größeren Steuerwinkeln.The size of the DC voltage is expediently dependent of the control angles to be set so changeable that the start of the charging of the capacitor with smaller control angles the zero crossings of the alternating voltages more advanced than with larger steering angles.

In F i g. 1 ist eine Schaltung gezeigt, in der der Gegenstand der Erfindung Verwendung findet. Mit 12 ist ein Verbraucher bezeichnet, der über zwei antiparallelgeschaltete Thyristoren 131 und 132 an die Klemmen 111 und 112 einer Wechselspannungsquelle angeschlossen ist. Die Zündimpulse werden von der Impulsquelle 16 geliefert und über einen Phasenschieber 17 den beiden Weichen 141 und 142 zugeführt. An die Weiche 141 ist die Steuerstrecke des Thyristors 131, an die Weiche 142 die Steuerstrecke des Thyristors 132 angeschlossen. Jede Weiche ist über eine Steuerleitung 151 bzw. 152 mit einem Steuergerät 15 verbunden, das ebenfalls an die Wechselspannungsquelle angeschlossen ist. Dieses Steuergerät kann aus einem einfachen Trenntransformator mit nachgeschaltetem Gleichrichter bestehen und liefert beispielsweise an der Klemme 151 während der positiven und an der Klemme 152 während der negativen Halbwelle der Speisewechselspannung ein Potential, durch das die Weichen abwechselnd gesperrt werden.In Fig. 1 shows a circuit in which the subject matter of Invention finds use. With a consumer 12 is referred to, which has two anti-parallel connected thyristors 131 and 132 to the Terminals 111 and 112 is connected to an AC voltage source. The ignition pulses are from the pulse source 16 and supplied via a phase shifter 17 to the two switches 141 and 142 supplied. The control path of the thyristor 131 is connected to the switch 141, the control path of the thyristor 132 is connected to the switch 142. Any switch is connected to a control unit 15 via a control line 151 or 152, the is also connected to the AC voltage source. This control unit can consist of a simple isolating transformer with a downstream rectifier and delivers, for example, to terminal 151 during the positive and to the terminal 152 during the negative half-wave of the AC supply voltage, a potential through that the points are locked alternately.

Das Steuergerät liefert ferner über die Leitung 153 eine Synchronisierungsspannung an die Impulsquelle 16. Diese Spannung kann beispielsweise durch Zweiwegegleichrichtung und anschließende Begrenzung der Speisewechselspannung gewonnen werden. Sie wird der Impulsquelle 16 so zugeführt, daß durch die genau im Nulldurchgang der Speisewechselspannung liegenden Spannungsspitzen ein Zündimpuls ausgelöst wird. Der Verlauf dieser Spannung ist in F i g. 3 mit U 153 bezeichnet.The control unit also supplies a synchronization voltage via line 153 to the pulse source 16. This voltage can, for example, by two-way rectification and subsequent limitation of the alternating supply voltage can be obtained. she will the pulse source 16 is supplied so that through the exactly in the zero crossing of the AC supply voltage an ignition pulse is triggered. The course of this tension is in Fig. 3 labeled U 153.

Die Phasenlage dieser periodisch erzeugten Zündimpulse wird in dem Phasenschieber 17 abhängig von einer Steuerspannung U, verändert.The phase position of these periodically generated ignition pulses is in the Phase shifter 17 as a function of a control voltage U, changed.

Es wird angenommen, daß während der positiven Halbwelle die Klemme 112 gegenüber der Klemme 111 positiv ist. Während dieser Halbwelle wird die Weiche 141 über die Leitung 151 gesperrt. Die Weiche 142 ist dagegen durchlässig. Zu Beginn dieser positiven Halbwelle wird von dem Steuergerät 15 über die Leitung 153 in der Impulsquelle 16 ein Zündimpuls ausgelöst. Dieser wird in dem Phasenschieber 17 abhängig von der Spannung USt verschoben und über die Weiche 142 auf die Steuerstrecke des Thyristors 132 gegeben. Dieser Thyristor zündet und bleibt bis zum Ende der positiven Halbwelle durchlässig. Zu Beginn der negativen Halbwelle wird von der Impulsquelle 16 wiederum ein Zündimpuls abgegeben. Da während der negativen Halbwelle die Weiche 142 gesperrt ist, geht dieser Impuls nach einer Verzögerung im Phasenschieber 17 über die Weiche 141 zur Steuerstrecke des Thyristors 131. Dieser Thyristor zündet. Es fließt von jetzt an durch den Verbraucher 12 bis zum Ende der negativen Halbwelle ein Strom mit umgekehrter Richtung.It is assumed that terminal 112 is positive with respect to terminal 111 during the positive half-cycle. During this half-wave, the switch 141 is blocked via the line 151. The switch 142, on the other hand, is permeable. At the beginning of this positive half-wave, the control unit 15 triggers an ignition pulse in the pulse source 16 via the line 153. This is shifted in the phase shifter 17 as a function of the voltage USt and passed via the switch 142 to the control path of the thyristor 132. This thyristor ignites and remains permeable until the end of the positive half-wave. At the beginning of the negative half-wave, the pulse source 16 again emits an ignition pulse. Since the switch 142 is blocked during the negative half-wave, this pulse, after a delay in the phase shifter 17, goes via the switch 141 to the control path of the thyristor 131. This thyristor ignites. From now on, a current flows in the opposite direction through the consumer 12 until the end of the negative half-wave.

Die Weichen selbst können beispielsweise aus einem einfachen UND-Gatter bestehen. Sehr oft wird es jedoch erforderlich sein, die vom Phasenschieber kommenden Impulse zu verstärken. An Stelle von UND-Gattern können in dem Fall gewöhnliche Verstärker eingesetzt werden. Diese Verstärker werden dann durch die über die Leitung 151 und 152 zugeführten Potentiale abwechselnd gesperrt. Wird an Stelle einer Impulsquelle und eines Phasenschiebers ein Impulsbreitenmodulator verwendet, dann kann die Differentiation der von diesem Modulator gelieferten Rechteckimpulse durch den zwischen die Steuerstrecke und den Ausgang des Verstärkers geschalteten Trenntransformator durchgeführt werden.The turnouts themselves can, for example, consist of a simple AND gate exist. Very often, however, it will be necessary to use those coming from the phase shifter To reinforce impulses. Instead of AND gates, ordinary Amplifiers are used. These amplifiers are then used by the over the line 151 and 152 supplied potentials blocked alternately. Used in place of a pulse source and a phase shifter uses a pulse width modulator, then the differentiation the square-wave pulses supplied by this modulator through the between the control path and the output of the amplifier switched isolation transformer.

In F i g. 2 ist als Beispiel eine einfache Ausführungsmöglichkeit für die Elemente 16 und 17 der F 1 g. 1 im einzelnen dargestellt. Mit 230 ist ein Kondensator bezeichnet, der über einen Widerstand 231, die Diode 24 und die Emitter-Basis-Strecke eines Transistors 21 an eine Speisespannungsquelle angeschlossen ist (0; -). Außerdem ist der eine Belag des Kondensators 230 über die Emitter-Kollektor-Strecke mit dem einen Pol (0) der Quelle verbunden. Der Basis dieses Transistors wird über den Widerstand 26 eine Sperrvorspannung und über die Klemme 27 eine periodische, mit U153 bezeichnete und in F i g. 3 dargestellte Steuerspannung zugeführt. Die Basis des Transistors 21 ist über einen Widerstand 236 mit der negativen (-) Klemme und über einen Widerstand 233 mit einem veränderbaren Abgriff eines aus den Widerständen 234 und 235 bestehenden, an der Gleichspannungsquelle liegenden Spannungsteilers angeschlossen. Die gewünschte Rechteckspannung U161 wird an der Klemme 28 von dem Widerstand 25 abgegriffen. Da die gleichen in dieser Impulsquelle enthaltenen Bauelemente für die Erzeugung der Impulse zur Zündung aller einander abwechselnden Halbwellen verwendet werden, wirken sich etwaige Verschiedenheiten und Streuungen bei der Zündung aller Halbwellen völlig gleich aus, so daß auch etwaige Fehler in solchen Bauelementen keine Ungleichheit der relativen Lage der Zündzeitpunkte in den verschiedenen Stromtoren verursachen können.In Fig. As an example, FIG. 2 is a simple embodiment for the elements 16 and 17 of the F 1 g. 1 shown in detail. A capacitor 230 is designated, which is connected to a supply voltage source via a resistor 231, the diode 24 and the emitter-base path of a transistor 21 (0; -). In addition, one layer of the capacitor 230 is connected to one pole (0) of the source via the emitter-collector path. A reverse bias voltage is applied to the base of this transistor via the resistor 26 and a periodic voltage via the terminal 27, denoted by U153 and shown in FIG. 3 supplied control voltage shown. The base of the transistor 21 is connected via a resistor 236 to the negative (-) terminal and via a resistor 233 to a variable tap of a voltage divider consisting of the resistors 234 and 235 and connected to the DC voltage source. The desired square-wave voltage U161 is tapped off at terminal 28 by resistor 25. Since the same components contained in this pulse source are used to generate the pulses for the ignition of all alternating half-waves, any differences and dispersions in the ignition of all half-waves have exactly the same effect, so that any errors in such components do not result in an inequality of the relative position the ignition timing in the various power gates.

Die Arbeitsweise der Anordnung wird an Hand von F i g. 3 erläutert. Dort ist mit U 153 die periodische Steuerspannung bezeichnet, die der Klemme 27 der in F i g. 2 dargestellten Anordnung zugeführt wird. Durch diese Spannung wird der Transistor 22 fast während der ganzen Halbwelle durchgesteuert. Nur während der kleinen Zeit t in der Umgebung des Nulldurchganges wird die positive Sperrspannung wirksam. Während dieser Zeit ist der Transistor 22 gesperrt, und der Kondensator 230 lädt sich über die Emitter-Basis-Strecke des Transistors 21, das Ventil 24 und den Widerstand 231 auf. Der Verlauf des Kollektorpotentials des Transistors 22 während dieser Zeit ist in F i g. 3 mit U 230 bezeichnet. Sobald der Transistor 22 wieder leitend wird, entlädt sich der Kondensator 230 über die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 22, den Widerstand 232 und die Widerstände 236, 233 und 234. Während dieses Entladevorganges liegt an der Basis des Transistors 21 die in F i g. 3 mit UI, bezeichnete Spannung. Der Transistor 21 ist dann gesperrt, so daß an der Klemme 28 negatives Potential erscheint. Die Dauer dieses negativen Impulses hängt dabei von der Entladezeitkonstante ab, die sich z. B. am Widerstand mit 34 einstellen läßt. In F i g. 3 ist gestrichelt der Verlauf der an der Klemme 28 abgegebenen Ausgangsspannung U161 bei kleinerer Zeitkonstante eingezeichnet. Die Spannung U161 wird beispielsweise in den Weichen 141 und 142 verstärkt und im Ausgangsübertrager differenziert. Durch die Wicklung der vom Steuergerät 15 gelieferten Sperrpotentiale 151 und 152 werden vom Stromtor 131 die in F i g. 3 dargestellten Impulse U 141, dem Stromtor 132 die Impulse U142 zugeführt. Mit U" ist noch der Verlauf der Verbraucherspannung bezeichnet. Der F i g. 2 ist ohne weiteres zu entnehmen, daß der Effektivwert dieser Verbraucherspannung durch Verändern der Entladezeitkonstante (UE) gesteuert werden kann. Allerdings kann bei Verwendung eines Steuergerätes entsprechend F i g. 2 der Zündwinkel noch nicht von 0 bis l80° variiert werden. Der Steuerbereich läßt sich aber über einen Bereich von 180° erweitern, wenn man der in F i g. 3 mit U 153 bezeichneten Spannung eine Gleichspannung in der Art überlagert, daß der Zeitpunkt t1 in der Zeichnung weiter nach links vor dem Nulldurchgang der Speisewechselspannung rückt. Die Höhe der erforderlichen Gleichspannung kann gleichzeitig automatisch bei der Einstellung des Zündwinkels mit verändert werden, so daß bei kleinen Anschnittswinkeln der Zeitpunkt t1 weiter links liegt als bei großen. Um eine gleichmäßige Ladung des Kondensators 230 zu gewährleisten, wird seine Ladung mit seiner monostabilen Kippstufe gesteuert, die ihn immer während einer konstanten Zeitdauer an die Ladespannung schaltet, sobald die resultierende Steuerspannung (U153) einen bestimmten Grenzwert S (bei t1) erreicht.The mode of operation of the arrangement is illustrated in FIG. 3 explained. There, U 153 denotes the periodic control voltage that is applied to terminal 27 of the FIG. 2 is supplied arrangement shown. As a result of this voltage, the transistor 22 is turned on for almost the entire half-cycle. The positive reverse voltage only becomes effective during the short time t in the vicinity of the zero crossing. During this time, the transistor 22 is blocked, and the capacitor 230 is charged via the emitter-base path of the transistor 21, the valve 24 and the resistor 231. The course of the collector potential of the transistor 22 during this time is shown in FIG. 3 labeled U 230. As soon as the transistor 22 becomes conductive again, the capacitor 230 discharges via the emitter-collector path of the transistor 22, the resistor 232 and the resistors 236, 233 and 234. During this discharge process, the base of the transistor 21 is the one in F i G. 3 with UI, designated voltage. The transistor 21 is then blocked, so that a negative potential appears at the terminal 28. The duration of this negative pulse depends on the discharge time constant. B. can be set at the resistor with 34. In Fig. 3 shows the curve of the output voltage U161 delivered at terminal 28 with a smaller time constant. The voltage U161 is, for example, amplified in the switches 141 and 142 and differentiated in the output transformer. As a result of the winding of the blocking potentials 151 and 152 supplied by the control unit 15, the current gate 131 causes the values shown in FIG. 3 pulses U 141, the current gate 132 is supplied with the pulses U142. The profile of the consumer voltage is also denoted by U ". It can be readily seen from FIG. 2 that the effective value of this consumer voltage can be controlled by changing the discharge time constant (UE). 2 the ignition angle cannot yet be varied from 0 to 180.degree .. The control range can, however, be expanded over a range of 180.degree. If a direct voltage is superimposed on the voltage designated in FIG t1 in the drawing moves further to the left before the zero crossing of the alternating supply voltage. The level of the required direct voltage can be automatically changed at the same time when the ignition angle is set, so that the point in time t1 is further to the left with small lead angles than with large ones of the capacitor 230, its charge is controlled with its monostable multivibrator, which it in the mer switches to the charging voltage for a constant period of time as soon as the resulting control voltage (U153) reaches a certain limit value S (at t1).

Claims

Claims: 1. Arrangement for controlling the energy supply to a Load connected to an alternating voltage source via two anti-parallel connected thyristors is connected, consisting of a pulse source that is synchronous to each Half-waves of the alternating voltage supplies pulses whose phase position compared to the alternating voltage is changeable, from a pulse distributor, which is in the cycle of the half-waves of the alternating voltage the pulses from the pulse source are alternately distributed between the two thyristors a device that synchronizes the pulse source with the AC consumer voltage rectifies this AC voltage with a two-way rectifier and the the Auxiliary voltage obtained in this way via a transistor to control the charging of a Capacitor is used, the discharge speed of which determines the phase position of the pulses, characterized in that the charging time of the capacitor is controlled by a monostable Flip-flop is determined, through whose output signal the transistor can be controlled is, and that the auxiliary voltage together with a DC voltage as the control voltage such size and polarity is connected to the monostable multivibrator that the charging of the capacitor even before the zero crossings of the alternating voltage begins.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the size of the DC voltage can be changed as a function of the control angle to be set is that the start of the call charge of the capacitor at smaller control angles the Zero crossings of the alternating voltages lead more than with larger control angles. Considered publications: German Patent Specifications No. 661540, 894 582, 1140 599; German Auslegeschriften Nos. 1015 906, 1082 962, 1085 967; ETZ-B, 1962, Pp. 371 to 373; AEG-Mitteilungen, 1961, pp. 458, 461 to 463; AEG special print »Taxable Silicon rectifiers and their application «, pp. 4, 6 to 9.