DK146350B - Kobling til kvasikonstant regulering af den aktive effekt til vekselstroemsforbrugere ved hjaelp af en tastende statisk vekselstroemsomskifter - Google Patents

Description

146360 1 Opfindelsen angår en kobling til kvasikonstant regulering af den aktive effekt kos vekselstrømforbrugere ved hjælp af en i afhængighed af en reguleringsspænding tastende statisk vekselstrømkobler med mindst én 5 i hver forbrugerstrømkreds anordnet antiparrallel kobling af to tyristorer, idet tasteforholdet styres som funktion af forbrugerstrømmen og forbrugerspændingen, som er overlejret reguleringsspændingen, og vekselstrømkoblerens tyristorer ved hjælp af en impulsgiver er 10 styret gennem den i et RC-netværk, der bestemmer taste-forholdet og tastefrekvensen, tilførte reguleringsspænding via en synkroniseringsindretning.

Fra det tyske offentliggørelsesskrift· DT-QS 2.031.4-39 ken-15 des et sådant apparat med en indretning, der adskilt fører forbrugerstrømmens og forbrugerspændingens faktiske værdi til den underlejrede regulering, især til temperaturregulering ved opvarmning, ved hvilken indretning tilbageførslen af forbrugerstrømmens faktiske 20 værdi til strømbegrænsningen gøres effektiv ved hjælp af tærskelværdiled. Med dette apparat kan, for så vidt strømbegrænsningen ikke er effektiv, forsyningsspændingens og belastningens svingninger udlignes på tilfredsstillende måde gennem spændingsregulering ved 25 hjælp af ændring af tasteforholdet og/eller tastefrekvensen. En ydelsesregulering er således ikke mulig.

Yderligere er et sådant reguleringsapparat beskrevet i US-PS 34 09 821, med hvilket en udgangsspænding, 30 der også er uafhængig af fasestillingens og frekvensens svingninger, kan opnås gennem fasestyring ved hjælp af et indstillingsled med tyristorer. Herved registreres udgangsspændingen gennem ensretning som en jævnspænding og sammenlignes med en nominel værdi.

146350 2 1 Den derved, fremkomne reguleringsafvigelse styrer ved hjælp af en savtandsspænding tændimpulsernes fasestilling til indstillingsleddets tyristorer.

5 Yed dette reguleringsapparat bliver endvidere gennem en strømomformer med efterkoblet ensretning og udglatning og ligeledes ved hjælp af tærskelværdiled forbrugerstrømmens tilbageførsel gjort effektiv som jævnspænding til strømbegrænsningen ved tilstedeværel-10 se af overstrømme, der overskrider en bestemt forudgivet strømstyrke. Dette sker ved, at impulsmodulatoren ved tilstedeværelse af en overstrøm umiddelbart afbrydes af styrekredsløbet. Heller ikke med dette reguleringsapparat er en ydelsesregulering mulig.

15

Era tysk offentliggørelsesskrift DE-OS 22 19 229 kendes en fremgangsmåde til bestemmelse af ydelsen, især af korttids vekselstrømme, idet spænding og strøm konstant måles, multipliceres og produktet her integreres over 20 højst nogle få halvperioder. Den herved opnåede integrationsstørrelse føres til en indikatorindretning og kan anvendes som faktisk værdi til ydelsesreguleringen.

Yed de ved industrielle fremgangsmåder forekommende op-25 varmningsprocesser og varmestyringer optræder variationer i forsyningsspændingen, som fx netspændingsvariationer såvel som belastningsvariationer som forstyrrende påvirkninger. Disse påvirkninger udjævnes ved en temperaturregulering gennem temperaturreguleringens 30 tidskonstant.

Ud fra den erfaring, at sådanne forstyrrende påvirkninger meget hurtigere kan udreguleres gennem en effektregulering end gennem temperaturregulering, der har en vis tidskonstant, er det opfindelsens formål at 146350 3 1 anvise en kobling af den angivne art til kvasikons tant regulering af den aktive effekt til vekselstrømsforbrugere, hvor den til forbrugerne tilførte aktive effekt ved indtræffen af forstyrrende påvirkninger lige-5 ledes kan efterreguleres og udlignes ved ændring af tasteforholdet og/eller tastefrekvensen ved hjælp af den statiske vekselstrømsomskifter.

Det opnås ifølge opfindelsen ved, at der er anvendt en 10 modulationskobler, der på kendt måde taster den dob-beltensrettede forbrugerspænding i afhængighed af en strømproportionalt tastemoduleret jævnspænding, der ligeledes er afledet af den dobbeltensrettede forbrugerstrøm og styret ved hjælp af en multivibrator, og 15 at den herved frembragte strømproportionalt tastede ensrettede forbrugerspænding ved hjælp af et filter i RC-netværket, udglattet som forbrugereffektens faktiske værdi, er modkoblet en reguleringsspænding, der repræsenterer forbrugereffektens nominelle værdi, og 20 at den herved fremkomne afvigelse mellem den nominelle og den faktiske værdi er ført ti1 indgangen af en komparator, der er overordnet synkroniseringsindretningen.

25 ih sådan kobling kan udføres med et lille forbrug af komponenter, der·fortrinsvis er kommercielle elektroniske småkomponenter, der er udformet som integrerede kredse efter chip-teknikken og sammen med koblingskomponenter anbringes på en monteringsplade. Ifølge op-50 findelsen kan der som multivibrator anvendes en firdobbelt komparator med en operationsforstærker, hvor den inverterende og den ikke-inverterende indgang hver gennem en tilbagekoblingsmodstand er forbundet med udgangen, og hvor den ikke-inverterende indgang er for- 4 146350 1 bundet med delings'punktet på en spændingsdeler, der er koblet til driftsspændingen, og som består af to modstande, og hvor en af den dobbeltensrettede forbrugerstrøm afledede jævnspænding via et RC-led er ført til 5 den inverterende indgang som styrespænding. Ifølge opfindelsen kan der som modulationsomskifter anvendes en af den impulsbreddemodulerede jævnspænding styret koblingstransistor i emitterkobling, hvor den dobbeltens-rettede forbrugerspænding føres til kollektor og basis 10 over hver sin modstand.

Med koblingen ifølge opfindelsen opnås, at ved den med det efter tasteprincippet indkoblede svingningstog ved ændring af tasteforholdet foretagne effektregulering vil den ved tastemodulation fremstillede faktiske værdi 15 for den aktive effekt stemme tilstrækkeligt overens med den virkelige aktive effekt ind til en effektfaktor cos Φ på 0,7. Dette vil blive forklaret nærmere i slutningen af den følgende beskrivelsen af en udførelsesform for en kobling ifølge opfindelsen.

20 I det følgende skal opfindelsen forklares nærmere under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser en udførelsesform for en kobling ifølge opfindelsen til kvasikonstant 25 regulering af den aktive effekt til en ensfaset vekselstrømsforbruger ved hjælp af en tastende, statisk vekselstrømskobler med en antiparallelkobling af to tyristorer, 30 fig. 2 viser et diagram for en i afhængighed af forbrugerstrømmen impulsbreddemoduleret jævnspænding, og 5 146350 l fig. 3 viser et diagram for en i afhængighed af forbrugerspændingen i henhold til fig. 2 tastemoduleret, dobbeltensrettet forbrugerspænding.

5 I fig. 1 er vist en kobling for effektregulatoren adskilt fra forb'rugerstrømkredsen. Den er sammensat af en seriekobling af en vékselstrømskilde N, en antipa-rallelkobling af to tyristorer Th^ og Th2 og en forbru-10 ger V. De væsentlige bestanddele af effektregulatoren er en i en multivibratorkobling M anvendt operationsforstærker C^, et som modulationsomskifter MS udformet koblingsled med en koblingstransistor p og en kom-parator K med en operationsforstærker 02· Effektregula-15 toren har en temperaturreguleringskreds, bestående af et regulatororgan R, komparatoren K, et synkroniser ringsorgan S, den statiske vekselstrømsomskifter med tyristorerne Th^ og Th2 og en temperaturføler F ved forbrugeren V, i hvilken reguleringskreds effektregu-20 leringen overlejres af temperaturreguleringen. Herved dannes der af en reguleringsspænding UR fra temperaturreguleringen ved udgangen af regulatoren R nominalværdien Pskal for forbrugereffekten, hvilken størrelse ved indgangen til komparatoren K modkobles 25 den faktiske værdi Per for forbrugereffekten, der dannes ved udgangen for modulationsomskifteren MS i effektregulatoren. Sammenligningen mellem den nominelle og den faktiske værdi i effektreguleringen gennemføres ved hjælp af komparatoren K.

30

Den faktiske værdi Per for forbrugereffekten fremstilles efter den såkaldte tids-multipleks metode, d.v.s. ved tastemodulation af den dobbeltensrettede forbrugerspænding Uv proportionalt med den ensrettede værdi 35 I af forbrugerstrømmen. Til dette formål indeholder 6 146350 1 koblingen med effektregulatoren organer til måling af forbrugerstrømmen og forbrugerspændingen bestående af en transformatorisk strømomformer W,- en broensretter 6^ og en strømbelastning til dannelse af en jævn-5 spænding U , der er proportional med den dobbeltens- v

rettede forbrugerstrøm I , endvidere af en broensretter °S en belastning B2 til dannelse af den dob-beltensrettede forbrugerspænding U . Jævnspændingen U

V jr føres til den inverterende indgang til den i multivi-10 bratorkoblingen iYI anvendte operationsforstærker 0^.

Denne har en tilbagekoblingsmodstand Rg, og den ikke-inverterende indgang η+” er forbundet med delepunktet for en til forstærkerudgangen koblet spændingsdeler med to modstandej en modstand R^ og en modstand R2, 15 samt endvidere med en til driftsspændingen Ug koblet spændingsdeler med modstanden R1 og en modstand Rjj, så at der under driften af operationsforstærkeren 0^ ved tilføring af indgangsspændingen U over et RC-led «7

Rlj C’ til den inverterende indgang ’V ved indgangen 20 "+" dannes et svingende potentialj hvis svingnings bredde giver multivibratorkoblingens hysteresespæn-ding Ug. Ved udgangen for operationsforstærkeren 0^ opstår der en tastemoduleret positiv jævnspænding med et tasteforholdj der er proportionalt med ampli-25 tuden for den øjeblikkelige værdi af indgangsspændingen i-Uy. Over modstanden R2 og en modstand R^ er indgangene "+" og "t" koblet til udgangen for forstærkeren 0^. I det i fig. 2 viste diagram udgøres tastemodulationen af multivibratorens indkoblings-pause-tids-3Q forhold £l. Tasteforholdet for denne modulation er defineret som t , idet t± er indkoblingstiden, også kaldet tastetiden, og t2 er pausetiden og T er summen af t1 og t2.

35 146350 7 1 Ved konstant tasteforhold "består der følgende relationer mellem tærskelværdien Ug og hysteresespændingen U^ for multivibratoren: 5 tg “ 2 Ug = Ug T -2 Uy UAm

10 \ = Us * 2 Sl · = 2 UH = 2 UE

E1 + R2 X V2Uy V2UAm hvor UAni "betyder den tidsmæssige middelværdi af U^.

15 h

Heraf følger U (t) « fU . __ (t) u ®

2 I

Den tastemodulerede spænding U^ tilføres over en diode 20 *L ei1 ^^stand til "basis i den som modulationsomskifter MS anvendte koblingstransistor p, der er koblet i emitterkobling. Den over belastningen Bg dannede forbrugerspænding U tilføres over en modstand Rg til kollektoren og over en modstand Ry til basis i transi-gj- storen p. Parallelt over dennes styre strækning er der koblet en beskyttelsesdiode Dg. Ved styring af koblingstransistoren p ved hjælp af den tastemodulerede spænding U^ dannes der ved udgangen A for modulationsomskifteren MS for den dobbeltensrettede forbrugerspæn-ding Uy en i takt med tastemodulationen aftastet spænding U , hvis diagram er vist i fig. 3· Diagrammerne i fig. 2 og fig. 3 er vist tidsmæssigt under hinanden og har abscisser med samme tidsmålestok. lorbrugerspændingen U er moduleret med samme tasteforhold som driftsspændingen Ug for operationsforstærkeren 0^, således at 146350 8 1· åen tidsmæssige middel-værdi TF af den tastemodulerede spænding der er -vist med punkterede linier i fig. 3 er proportional med den fattiske aktive effekt Ργ til forbrugeren. Ved hjælp af et med udgangen for modula-5 tionsomskifteren MS paralleltkoblet filterled, et RC-serieled med en kondensator 0^ og en modstand Rg, hvilken bestanddel udgør et netværk, der bestemmer tasteforholdet og tastefrekvensen for den statiske vekselstrømsomskifter lhp Ih.-,, udglattes den tastemodule-10 rede spænding TJm. Pilterledskondensatoren C-^ får herved en jævnspænding, hvis tidsmæssige middelværdi TFm fremstiller den tastemodulerede forbrugerspænding Um. Netværket indeholder endvidere et filterled med en modstand Rg og en kondensator C^, der er koblet foran den 15 inverterende indgang "r" til en som komparator K anvendt operationsforstærker Og, hvis ikke-inverterende indgang n+" er forbundet med et referencepotential for den beskrevne kobling som helhed. Endelig indeholder netværket endnu et R0-led R^q>G25 ^θγ er koblet paral-' 20 le-lt med udgangen for temperaturreguleringens regulator R, og hvoraf kondensatoren Gg er forbundet parallelt med den inverterende indgang nf" til komparatoren K.

I R0-netværket er jævnspændingen Tf , der fremstiller 25 den faktiske værdi for forbrugereffekten Py, modkoblet reguleringsspændingen U^, der fremstiller effektregule-ringens nominelle værdi P ^.a1, så at der til komparatoren K tilføres spændingsdifferensen U-^ r TF som styreværdi til effektreguleringen. Størrelsen og polariteten 30 for denne spændingsdifferens bestemmer tasteforholdet og tastefrekvensen for vekselstrø’msomskifteren.

Opfindelsens idé bygger på den forudsætning, at tastemodulationen af den ensrettede forbrugerspænding Uv 146350 9 1 kan gennemføres strømproportionalt, så at den tidsmæssige middelværdi Um af den tastemodulerede forbrugerspænding bliver proportional med forbrugereffek-ten Py ^ Ργ). Under denne forudsætning udgør ef-5 fektregulatoren i den beskrevne kobling et system G med lineære overføringsegenskaber, d.v.s. der består en lineær sammenhæng mellem den ved effektreguleringen tidsmæssigt foranderlige, faktiske effektværdi P (t) og regulerings spændingen UR (t). Denne sammenhæng kan, 10 da overføringssystemet G har en foranderlig egentid t1, nedskrives som en speciel løsning til en lineær differentialligning med konstante koefficienter, (sammenlign fx Baule, Die Mathematik des Naturforsobers und Ingenieurs, Band VI, Partielle Differentiallig-15 ninger, 3* udgave 1950 > §11, side 32 og 33)·

_ OO

Pv ^ % Um (t) « JUr (t) .G (t-t‘) dt' —oo

Integralformen af den specielle løsning P (t) frem- 20 * stiller en af størrelserne UR og G dannet korrelationsfunktion af tiden t (se Wehrmann in Siemens Uorma-Tech. Informationen 9 (1972), H.2, side 1 og 2), hvor det er sagt, at ved effektregulering ændres tasteforholdet og/ eller tastefrekvensen for den statiske vekselstrømsom-skifter i afhængighed af variationer af vekselstrømskilden N og forbrugerbelastningen V. Den ovenfor angivne integralform for løsningen Pv (t) kan også i henhold til Baule (se den angivne litteratur side 4-2, af-30 snit 6) omformes til et produkt af den Laplace-trans-formermerede L af størrelserne UR (t) og G (t, t').

1 [pv (t)l - L tuR (t)1 . L CG (t - t')3 00 jo = juR(t)-e_a,t dt · -lG(t-t') ·e "ω1:' dt1 O o 146350 10 1 Dette produkt viser effektspektret som funktion af vinkelfrekvensen y af de harmoniske af P (t).

Anvendelsen af den ovenfor nævnte strømproportionale i- tastemodulation af en ensrettet spænding (fcids-multi-pleks modulation) som multiplikationsmetode til fremstilling af en effekt har betydelige fordele frem for multiplikation ved hjælp af en spændingsafhængig forstærker. Anvendelsen af en såkaldt firkvadrant multi-plikator kræver fx et vist forbrug til den tilhørende multiplikationskobling, og en yderligere forstærker.

Anvendelse af tastemodulation bliver i forhold hertil enklere, da fremstilling af effekten i et kvadrant er tilstrækkelig, og der derfor tilføres ensrettede værr-dier til multiplikationen.

Por til sidst at klargøre, hvor langt i afhængighed af effektf akto ren cos φ den gennem tastemodulationen frembragte størrelse Um (t) stemmer overens med den 2q aktive del af (t), dannes de dobbeltensrettede størrelser-U (t) og . I (t) af forbrugerspændingen ΤΓ (t) og belastningsspændingen af forbrugerstrømmen I (t) tilnærmelsesvis ved afbrudte Pourierrækker.

25 Uv (t) * I \ (1 - I 00= 2 “*>

Bj · Iv (t) . I \ iT II - f (2 »t + 2

Den ovenfor definerede jævnspænding U er i henhold tf til fig. 2 identisk med belastningsspændingen B^. Iv 30 (t), så at I (t)| kan sættes lig med højre side af udtrykket for B-^ . 1^ (t).. Den tastemodulerede forbrugerspænding Um (t) fås ved multiplikation af den ensrettede forbruger spænding U (t) med tasteforholdet 148350 11 1 ^ (t)·

Dm(t) = (t) . V« = I · θτα-| COS 2«t)

S

5 = i Ϊ u · fl-4 cos(2«t + 2φ),! Γΐ4 cos 2(0¾

TfZUgVVL.^ K. } -1

Ved integration efter tiden t fås herved den tidsmæssi-10 ge middelværdi U af den tastemodulerede forbrugerspænding Uffl (t) anr \ -- i k<t)a»t =,¾¾ · *r ®v (1 * I c°s 2«· >

15 J

Til sammenligning af dette resultat med den tidsmæssi-

__ A

ge middelværdi p = ^ uviv cos Ψ af den aktive effekt til en forbruger med effektfaktoren costp , der over en 20 med tasteforholdet 1, d.v.s. konstant sluttet vekselstrømsomskifter, får tilført en sinusformet strøm i (t), skal størrelsen U ved ren aktiv belastning (cos<p = 1) sættes lig den med en sammenligningsfaktor multiplicerede størrelse p, U = xp. Der findes en relation mel- ^ 0 B-i 2 x 25 lem de konstante størrelser, —2 · «= (1%) = o » hvor 7Γ U g jy £ begyndelsesværdien pQ ved φ = 0 af den til effektenhe-den reducerede størrelse p (ep) kan erstattes af venstre side. De reducerede effektværdier O og p som funktioner af φ kan herved sammenstilles på følgende måde, 30 -2 η- (1+1 cos 2φ)- -2 (1+ψ costp 35 Disse-vil, som det ses, afvige mere og mere indbyrdes 12 146360 1 fra nul med voksende, faseforskydning φ .

Ved en ændring i grænseområderne af multivibratoren M

og modulat ions omskifteren MS kan der opnås .en ændring 2 5 af brøkfaktoren y3 og det har vist sig, at ved en forhøjelse til 0,4 bliver overensstemmelsen af størrelserne ΪΪ og p som. funktioner af φ optimal. Det kan let eftervises, at overensstemmelsen så vil være tilstrækkelig god indtil en faseforskydning på ca. φ = 45°.

10

Claims (2)

146350

1. Kobling til kvasikonstant regulering af den ak tive effekt hos vekselstrømforb'rugere (V) ved hjælp af en i afhængighed af en reguleringsspænding tastende statisk vekselstrømkobler med mindst én i hver forbru-5 gerstrømkreds anordnet antiparallel kobling af to tyristorer (Th^Thg), idet tasteforholdet styres som funktion af forbrugerstrømmen og forbrugerspændingen, som er overlejret reguleringsspændingen, og vekselstrømkoblerens tyristorer er styret ved hjælp af en 10 impulsgiver gennem den i et RC-netværk, der bestemmer tasteforholdet og tastefrekvensen, tilførte reguleringsspænding via en synkroniseringsindretning (S) kendetegnet ved, at der er anvendt en modulationskobler (MS), der på kendt måde taster den dob-15 beltensrettede forbrugerspænding (U ) i afhængighed af en strømproportionalt tastemoduleret jævnspænding (U^), der ligeledes er afledet af den dobbeltensrette-de forbrugerstrøm (I ) og styret ved hjælp af en multivibrator (M), og at den herved frembragte strømpro-20 portionalt tastede ensrettede forbrugerspænding ved hjælp af et filter i RC-netværket (Rg, R^, 3 udglattet som forbrugereffektens (P ) faktiske værdi, er modkoblet en reguleringsspænding (UR), der repræsenterer forbrugereffektens nominelle værdi, og at den 25 herved fremkomne afvigelse mellem den nominelle og den faktiske værdi er ført til indgangen af en komparator (K), der er koblet foran synkroniseringsindretningen (S).

2. Kobling ifølge krav 1, kendetegnet ved, 50 at der som multivibrator (M) er anvendt en firdobbelt komparator med en operationsforstærker (0^), hvor den