DE102007059789B3 - Harmonic and inter harmonic waves reducing method for power control of electrical load attached at alternating voltage network by leading edge, involves averaging ignition angle on sequence corresponding to preset value of ignition angle - Google Patents

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Abstract

The method involves determining power input varying half cycle of supplying alternating voltage in a recurring sequence by an ignition angle of a leading edge. The ignition angle is averaged on the sequence corresponding to a predetermined value of the ignition angle, where ignition angle of the sequence is either maximum or minimum and the remaining ignition angles are generated according to the desired power input. An ignition angle control device is attached to a TRIAC (5), which is connected in series to an electrical load (1). An independent claim is also included for a device for reducing harmonic waves and inter harmonic waves for power control of electrical load attached at an alternating voltage network by a leading edge, comprising an ignition angle control device.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduzierung von Oberwellen und interharmonischer Wellen für Leistungssteuerungen von an einem Wechselspannungsnetz angeschlossenen elektrischen Verbrauchern.The The invention relates to a method and a device for reducing Harmonics and interharmonic waves for power control of connected to an AC mains electrical consumers.

Leistungssteuerungen von elektrischen Verbrauchern, die an einer Wechselspannung, üblicherweise der Netzspannung, angeschlossenen sind, sind zumeist als Phasenanschnittsteuerung realisiert, bei der der Stromfluss nach dem Nulldurchgang der Wechselspannung bis zu einem einstellbaren Zündwinkel verzögert wird, ab dem der Verbraucher bis zum nächsten Nulldurchgang des Stromes mit Energie versorgt wird, wodurch die über eine Periode der Wechselspannung gemittelte Leistung eingestellt werden kann. Der größte Nachteil von Phasenanschnittsteuerungen ist der nicht-sinusförmige Verlauf des Stromes, der im Netz Störungen hervorruft. Da Strom und Spannung nicht dieselbe Form besitzen, ergibt sich eine Blindleistung, die in der Darstellung als Spektrum Oberschwingungen besitzt und elektronische Geräte beschädigen kann.power controllers of electrical loads connected to an AC voltage, usually The mains voltage, are connected, are mostly as a phase control realized at the current flow after the zero crossing of the AC voltage up to an adjustable ignition angle delayed from, the consumer until the next zero crossing of the current is energized, causing over a period of AC voltage average power can be adjusted. The main drawback of phase control is the non-sinusoidal course of the current, the network disturbances causes. Since current and voltage do not have the same shape, results itself a reactive power, which in the representation as spectrum harmonics owns and electronic devices to damage can.

Es sind diverse Modulationsverfahren zur Reduzierung der Oberwellen bekannt:
DE 101 00 196 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Versorgungsvorrichtung, bei dem der vom erste Zündwinkel abhängige Anteil einer wellenförmigen Spannung dem zeitlichen Mittel der Anteile eines zweiten und eines dritten Zündwinkels entspricht, derart, dass die Zündwinkel innerhalb einer Vollwelle konstant sind.Various modulation techniques for harmonic reduction are known:
DE 101 00 196 A1 describes a method and a supply device in which the portion of a wave-shaped voltage dependent on the first ignition angle corresponds to the time average of the proportions of a second and a third ignition angle, such that the ignition angles are constant within a full-wave.

WO 2007/040443 A1 beschreibt ein Verfahren zur Leistungssteuerung eines Elektromotors, bei dem in einer ersten Vollwelle einer wellenförmigen Spannung die Zündwinkel der Halbwellen variiert werden und in der folgenden Vollwelle die Zündwinkel zeitlich gespiegelt zur ersten Vollwelle eingestellt werden. WO 2007/040443 A1 describes a method for power control of an electric motor, in which the firing angles of the half-waves are varied in a first full wave of a wave-shaped voltage and in the following full wave, the firing angles are adjusted in time mirrored to the first full wave.

US 5,986,440 A beschreibt ein Verfahren zur Leistungssteuerung, bei dem in einer sich wiederholenden Sequenz in jeder Halbwelle die Last für eine innerhalb der Sequenz variierenden Zeit von der Energiequelle getrennt wird. US 5,986,440 A describes a method of power control in which, in a repetitive sequence in each half cycle, the load is disconnected from the power source for a time varying within the sequence.

DE 197 05 907 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei dem der Zündwinkel um den vorgegebenen, der gewünschten Leistungsaufnahme entsprechenden Sollwert nach größeren und kleineren Werten variiert wird, vorzugsweise so, dass eine zeitliche Unsymmetrie des Zündwinkels zwischen zwei aufeinanderfolgende Vollwellen erzeugt wird. Hierdurch werden die gradzahligen Harmonischen langsam erhöht und die ungradzahligen stark reduziert. DE 197 05 907 A1 describes a method and a device in which the firing angle is varied by larger and smaller values by the predetermined desired value corresponding to the desired power consumption, preferably such that a time asymmetry of the firing angle is generated between two successive full waves. As a result, the even harmonics are slowly increased and the odd-numbered greatly reduced.

Dieses Verfahren reduziert zwar die Oberwellen der anliegenden Wechselspannung, erzeugt aber zusätzlich Wellen mit den Vielfachen der halben Frequenz der anliegenden Wechselspannung, den so genannten Interharmonischen.This Although the method reduces the harmonics of the applied AC voltage, but generates additionally Waves with multiples of half the frequency of the applied AC voltage, the so-called interharmonics.

EP1 529 335 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Leistungssteuerung durch Phasenanschnitt und einem Verfahren zur Verringerung von Oberwellen, bei dem vor dem eigentlichen Zündvorgang ein Strombetrag fließt, der kleiner ist als der eigentliche Nennstrom. Dadurch werden weitere, zeitlich früher entstehende Harmonische gebildet, die sich mit harmonischen Oberwellen bei der eigentlichen Phasenanschnittsteuerung zumindest teilweise auslöschen. EP1 529 335 A1 describes a device for power control by phase control and a method for reducing harmonics, in which flows before the actual ignition process, a current amount that is smaller than the actual rated current. As a result, further, temporally occurring harmonics are formed, which at least partially cancel out with harmonic harmonics in the actual phase control.

Dieses Verfahren benötigt aber eine Vorrichtung, die neben den Elementen einer Phasenanschnittsteuerung ein zusätzliches Schaltelement und ein stromlimitierendes Element erfordert.This Procedure needed but a device that beside the elements of a phase control an additional Switching element and a current-limiting element requires.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für Leistungssteuerungen von an ein Wechselspannungsnetz angeschlossenen elektrischen Verbrauchern die parasitär erzeugten Oberwellen und interharmonischer Wellen zu reduzieren und die dafür benötigte Vorrichtung einfach und kostengünstig zu halten.Of the Invention is based on the object for power control of connected to an AC mains electrical consumers the parasitic to reduce generated harmonics and interharmonic waves and the one for that needed Device simple and inexpensive to keep.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des 1. Patentanspruchs gelöst, indem der Zündwinkel je Halbwelle der speisenden Wechselspannung in einer wiederkehrenden Sequenz derart gewählt wird, dass zum einen die Leistung annähernd sinusförmig variiert, ohne dass das Gleichgewicht der Leistung zwischen positiven und negativen Halbwellen im Mittel aufgehoben wird, zum anderen die über die Sequenz gemittelte Leistung eingestellt werden kann.According to the invention this Task by a method having the features of the first claim solved, by the ignition angle each half-wave of the supplying alternating voltage in a recurring Sequence selected in such a way is that on the one hand the power varies approximately sinusoidally, without that the balance of power between positive and negative Half waves on average is lifted, on the other hand, over the Sequence averaged power can be adjusted.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass sich Phase und Amplitude der durch das Schalten der Wechselspannung erzeugten Oberwellen aufgrund der beschriebenen Auswahl des Zündwinkels derart gestalten, dass sie sich im Mittel auslöschen können. Das durch die Variation des Zündwinkels erzeugte Brummen verfügt nur über wenige Oberwellen und die Frequenz kann durch Verändern der Sequenzlänge in Grenzen an die Applikation angepasst werden.The particular advantages of the invention are that is the phase and amplitude of the switching of the AC voltage generated harmonics due to the described selection of the ignition angle in such a way that they can wipe out on average. That through the variation the ignition angle generated hum only over few harmonics and the frequency can be changed by changing the sequence length be adapted within limits to the application.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Figuren beschrieben:Further Details of the invention will be described with reference to the figures:

1 zeigt ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Sequenz von Zündwinkeln, 1 shows an example of a sequence according to the invention of ignition angles,

2 zeigt vereinfacht ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. 2 shows a simplified Ausführungsbei play the invention.

Die in 1 gezeigte Sequenz stellt ein Beispiel für erfindungsgemäße Auswahl von Zündwinkeln dar. Die beiden verwendeten Zündwinkel α und β sind hier so gewählt, dass mit dem Zündwinkel α drei Halbe und mit dem Zündwinkel β die Hälfte der gewünschten Leistung erreicht werden. In der Sequenz folgen auf eine positive und eine negative Halbwelle mit jeweils dem Zündwinkel α eine positive Halbwelle mit dem Zündwinkel β und eine negative Halbwelle mit dem Zündwinkel α. Daran reihen sich eine positive und eine negative Halbwelle mit jeweils dem Zündwinkel β, eine positive Halbwelle mit dem Zündwinkel α und eine negative Halbwelle mit dem Zündwinkel β. Gemittelt über jeweils eine Vollwelle ergibt sich so eine näherungsweise sinusförmige Abfolge in der Leistung von 150%, 100%, 50% und 100%. Das Gleichgewicht der Leistung zwischen positiven und negativen Halbwellen bleibt im Mittel erhalten.In the 1 The sequence shown represents an example of selection of ignition angles according to the invention. The two ignition angles .alpha. and .beta. used here are selected so that three halfs are achieved with the firing angle .alpha. and half the desired power with the firing angle .beta. In the sequence follow on a positive and a negative half-wave, each with the firing angle α a positive half-wave with the firing angle β and a negative half-wave with the firing angle α. This is followed by a positive and a negative half-wave, each with the firing angle β, a positive half-wave with the firing angle α and a negative half-wave with the firing angle β. Averaged over each full wave results in an approximately sinusoidal sequence in the performance of 150%, 100%, 50% and 100%. The balance of power between positive and negative half-waves is maintained on average.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist vereinfacht in 2 dargestellt. Der Verbraucher (1) ist in Reihe mit einem TRIAC (5) an ein Wechselspannung-Versorgungsnetz angeschlossen, dessen beiden Pole mit L und N gekennzeichnet sind. Der Steuereingang des TRIACS ist über einen DIAC (4) mit einem Phasenschieber bestehend aus dem Kondensator (2) und einem Widerstand (3) verbunden. Durch den Phasenschieber wird die Schwellspannung des DIAC erst verzögert nach dem Nulldurchgang der Wechselspannung erreicht und der TRIAC gezündet. Der TRIAC wird leitend, so dass der Verbraucher mit Energie versorgt werden kann. Der TRIAC bleibt bis zum Ende der Halbwelle der Versorgungsspannung leitend und geht dann in den nicht-leitenden Zustand über.An embodiment of the invention is simplified in FIG 2 shown. The consumer ( 1 ) is in series with a TRIAC ( 5 ) connected to an AC power supply network whose two poles are marked L and N. The control input of the TRIACS is via a DIAC ( 4 ) with a phase shifter consisting of the capacitor ( 2 ) and a resistor ( 3 ) connected. Due to the phase shifter, the threshold voltage of the DIAC is not reached until after the zero crossing of the AC voltage and the TRIAC is ignited. The TRIAC becomes conductive, so that the consumer can be supplied with energy. The TRIAC remains conductive until the end of the half wave of the supply voltage and then goes into the non-conductive state.

Die Modulation des Zündwinkels wird mit einem Sequenzer (20) gesteuert, dessen Bestandteile in 2 in einem gestrichelten Kasten zusammengefasst sind. Parallel zum Widerstand (3) des Phasenschiebers werden je nach Halbwelle der speisenden Wechselspannung Widerstände (21), (23) über jeweils einen Transistor (22), (24) geschaltet, um die Verzögerung des Phasenschiebers zu variieren. Die Transistoren werden von einem Zähler (25), z. B. CD4022, angesteuert, der mit der doppelten Frequenz der speisenden Wechselspannung getaktet wird. Diese generiert eine Frequenzverdopplerschaltung (30), deren Bestandteile in 2 wieder in einem gestrichelten Kasten zusammengefasst sind.The modulation of the ignition angle is controlled by a sequencer ( 20 ), whose components are controlled in 2 are summarized in a dashed box. Parallel to the resistance ( 3 ) of the phase shifter depending on the half-wave of the feeding AC voltage resistors ( 21 ) 23 ) via a respective transistor ( 22 ) 24 ) to vary the delay of the phase shifter. The transistors are controlled by a counter ( 25 ), z. B. CD4022, driven, which is clocked at twice the frequency of the feeding AC voltage. This generates a frequency doubler circuit ( 30 ), whose components are in 2 again summarized in a dashed box.

Zur Frequenzverdoppelung wird zum einen die Wechselspannung über einen Hochpass, bestehend aus dem Kondensator (31) und dem Widerstand (32), differenziert und über jeweils eine Diode (34) und (35) gegen die beiden Pole der Niederspannungsversorgung (10) geblockt. Das somit zu einem rechteckförmigen Signal konvertierte Signal wird dann an den einen Eingang eines Exklusiv-Oder Gatters (38) geleitet. Zum anderen wird die Wechselspannung über einen Widerstand (35) zur Strombegrenzung wiederum zur Konvertierung in ein rechteckförmiges Signal über jeweils eine Diode (36) und (37) gegen die beiden Pole der Niederspannungsversorgung geblockt und an den anderen Eingang des Exklusiv-Oder Gatters angeschlossen.For frequency doubling, on the one hand, the alternating voltage is passed through a high pass, consisting of the capacitor ( 31 ) and the resistance ( 32 ), differentiated and each have a diode ( 34 ) and ( 35 ) against the two poles of the low-voltage supply ( 10 ) blocked. The signal thus converted to a rectangular signal is then applied to the one input of an Exclusive-OR gate ( 38 ). On the other hand, the AC voltage via a resistor ( 35 ) for current limiting turn for conversion into a rectangular signal via one diode ( 36 ) and ( 37 ) is blocked against the two poles of the low voltage supply and connected to the other input of the exclusive OR gate.

Die Niederspannungsversorgung (10) wird mit einem simplen Netzteil, bestehend aus einer Gleichrichterdiode (11), einem Widerstand (12) zur Strombegrenzung, einer Zenerdiode (13) zur Spannungsstabilisierung und einem Kondensator (14) zur Glättung, bewerkstelligt. Die Bestandteile der Niederspannungsversorgung sind in 2 in wiederum in einem gestrichelten Kasten zusammengefasst.The low voltage supply ( 10 ) is equipped with a simple power supply consisting of a rectifier diode ( 11 ), a resistor ( 12 ) for current limiting, a Zener diode ( 13 ) for voltage stabilization and a capacitor ( 14 ) for smoothing, accomplished. The components of the low voltage supply are in 2 in turn summarized in a dashed box.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden der Sequenzer und die Frequenzverdoppelung anstatt mit einer diskreten Schaltung in einem Mikrocontroller nachgebildet. In den inzwischen sehr preiswerten Mikrocontrollern können so neben dem erfindunggemäßen Verfahren auch weitere Funktionalitäten implementiert werden wie z. B. ein langsames Hochlaufen der Leistung zu dem gewünschten Endwert.In An advantageous development of the invention, the sequencer and the frequency doubling rather than a discrete circuit simulated in a microcontroller. In the meantime very cheap Microcontrollers can so in addition to the inventive method also further functionalities be implemented such. For example, a slow startup of performance to the desired End value.

Claims (5)

Verfahren zur Reduzierung von Oberwellen und interharmonischer Wellen für Leistungssteuerungen von an ein Wechselspannungsnetz angeschlossenen elektrischen Verbrauchern durch Phasenanschnitt, dadurch gekennzeichnet, dass der die Leistungsaufnahme bestimmende Zündwinkel (α', α'') des Phasenanschnitts je Halbwelle der speisenden Wechselspannung in einer wiederkehrenden Sequenz α', α', α'', α', α'', α'', α', α'' variiert und dass der über die Sequenz gemittelte Zündwinkel dem Sollwert des Zündwinkels (α) entspricht.Method for the reduction of harmonics and interharmonic waves for power control of connected to an AC mains electrical loads by phase control, characterized in that the power consumption determining firing angle (α ', α'') of the phase angle per half-wave of the AC supply voltage in a recurring sequence α' , α ', α'',α', α '', α '', α ', α''varies and that the ignition angle averaged over the sequence corresponds to the nominal value of the ignition angle (α). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Zündwinkel der Sequenz entweder maximal oder minimal ist und die verbleibenden Zündwinkel entsprechend der gewünschten Leistungsaufnahme generiert werden.Method according to claim 1, characterized in that that at least one ignition angle the sequence is either maximal or minimal and the remaining firing angle according to the desired Power consumption to be generated. Vorrichtung zur Reduzierung von Oberwellen und interharmonischer Wellen für Leistungssteuerungen von an ein Wechselspannungsnetz angeschlossenen elektrischen Verbrauchern durch Phasenanschnitt, dadurch gekennzeichnet, dass eine den tatsächlichen Zündwinkel (α', α'') um den Sollwert (α) des Zündwinkels der gewünschten Leistungsaufnahme je Halbwelle der speisenden Wechselspannung variierende Steuerschaltung vorgesehen und so ausgebildet ist, dass der Zündwinkel in einer wiederkehrenden Sequenz α', α', α'', α', α'', α'', α', α'' variiert und dass der über die Sequenz gemittelte Zündwinkel dem Sollwert des Zündwinkels (α) entspricht.Device for the reduction of harmonics and interharmonic waves for power control of connected to an AC mains electrical consumers by phase control, characterized in that one of the actual firing angle (α ', α'') to the target value (α) of the ignition angle of the desired power consumption per half wave of alternating voltage supply varying control circuit is provided and designed so that the ignition angle in a recurring sequence α ', α', α '', α ', α'',α'',α', α '' varies and the ignition angle averaged over the sequence corresponds to the nominal value of the ignition angle (α). Vorrichtung nach Anspruch 3 mit einem in Reihe zum Verbraucher geschalteten TRIAC, dadurch gekennzeichnet, dass dem TRIAC ein Zündwinkelsteuergerät zugeordnet ist, welches je Halbwelle der den Verbraucher speisenden elektrischen Wechselgröße dem TRIAC tatsächliche Zündwinkelsignale (α', α'') zuführt, die gegenüber dem Sollwert des Zündwinkels (α) bei einer vorgegebenen Leistungsabgabe zeitlich nach vorn oder hinten um in einer Sequenz festgelegte Winkeldifferenzbeträge versetzt sind.Apparatus according to claim 3 with a series in the Consumer switched TRIAC, characterized in that the TRIAC associated with a Zündwinkelsteuergerät is, which per half-wave of the consumer supplying electric Exchange size the TRIAC actual Zündwinkelsignale (α ', α' ') supplies, compared to the Setpoint of the ignition angle (α) at a given power output temporally forward or backward are offset by set in a sequence angle difference amounts. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem einstellbaren Widerstand (3) im Ansteuerkreis (Widerstand (3) und Kondensator (2)) des TRIACS ein mit der doppelten Netzfrequenz schaltendes Zählerglied (25) zugeordnet ist, welches mittels Schalter (22, 24) dem leistungsstellenden Widerstand (3) jeweils einen Widerstand (21, 23) vorgegebener Größe je Halbwelle parallel schaltet.Device according to Claim 4, characterized in that the adjustable resistor ( 3 ) in the drive circuit (resistor ( 3 ) and capacitor ( 2 )) of the TRIACS is a double-frequency switching counter element ( 25 ) is assigned, which by means of switch ( 22 . 24 ) the performance resistance ( 3 ) each have a resistor ( 21 . 23 ) preset size per half-wave switches in parallel.
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