用于相位控制的裝置和方法

專利名稱：用于相位控制的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種用于最好是熱工藝領域相位控制的裝置，包括具有初級線圈和次級線圈用于產生電壓的變壓器，其中，次級線圈具有一個末端和至少兩個抽頭，其中，每個抽頭上連接各一個可控電氣開關件且可控電氣開關件與負載的第一接線端連接，其中，負載的第二接線端與次級線圈的末端連接。本發明還涉及一種用于相位控制的方法，其中，為負載預先規定所要控制的電氣量的額定值并通過開通或關斷多個并聯的可控電氣開關件進行控制，這些可控電氣開關件設置在交流電壓發生器與負載之間的電流電路中并利用相位控制法工作。
背景技術：
從現有技術中公知大量的相位控制器。例如用于控制白熾燈的電壓并因此亮度的調光電路。此外公知也稱為功率調節器的所謂相位調節器，該相位調節器在熱工藝應用領域使用。這些調節器以不同的產品名稱公知，如Thyrovar (AEG)、Sirius (Siemens)、 Reotron(REO)、Optron>Eurotherm、Thermocon>Tematec>Dietz 等。對于特殊領域來說，也稱為電壓順序相控的部分調節的調節器電路需要多個晶閘管組，例如兩個至六個，它們分別借助一個產生晶間管控制脈沖的調節器控制。電壓的控制因此通過相位控制進行，其中，不改變電壓的頻率。這種類型的電路裝置具有相位控制法的優點和同時降低電網擾動反作用。這種類型的電路自70年代以來在市場上公知。相位控制的多個調節器通過總線結構或通過多個線路彼此連接并與控制器連接。這一點附加于購置調節器和/或控制器的成本因素，還造成各單個控制元件的電氣連接的連接技術上不可忽略的開支以及制造儀器時功能檢查的很高的測試成本。

發明內容
本發明的目的因此在于，提供一種相位控制，利用這種相位控制降低制造和功能檢查時的開支和成本。依據本發明，該目的在裝置方面利用一種開頭所述類型的相位控制由此得以實現，即全部可控電氣開關件與一個共用的調節器連接，該調節器具有用于第一控制信號的第一輸入端。與現有技術相反，可控電氣開關件在唯一共用的調節器上與它們各自的控制線路連接。該調節器在所提供的輸入量基礎上產生控制所有電氣開關件所需的控制信號。為此目的，調節器具有用于控制信號的第一輸入端，調節器通過該第一輸入端從上級控制單元獲得控制信號，該控制信號與流過負載的額定電流或與所要施加在負載上的額定電壓相對應。
通過調節器進行對所要觸發的可控電氣開關件的選擇并利用由調節器產生的控制信號進行對所要觸發的可控電氣開關件的觸發。在此方面該觸發這樣進行，使一個或最多兩個可控電氣開關件同時激活，也就是利用調節器的控制信號觸發。在此方面，概念激活是指電流至少暫時流過相應的可控電氣開關件。在不激活的可控電氣開關件方面，調節器通過產生適當的控制信號使得沒有電流流過這些開關件。在一種實施中，與可控電氣開關件串聯設置保險器件。變壓器次級線圈的抽頭與所屬的可控電氣開關件之間最好中間連接線路保險器件，用于在可控電氣開關件內短路時保護變壓器。在一種優選實施中，與可控電氣開關件串聯設置安培表，且安培表與所屬的、調節器的第二輸入端連接。例如線路保險器件與可控電氣開關件之間中間連接測定流過可控電氣開關件的電流的安培表。該安培表通過線路與如下調節器連接，該調節器為每個安培表具有所屬的第二輸入端。在另一種實施方式中，與負載串聯設置安培表且安培表與所屬的、調節器的第二輸入端連接。作為選擇，安培表在負載回路中例如可以中間連接在可控電氣開關件與負載之間。在這種實施中，電流測量的精確度低于各開關件使用各一個安培表的情況，但對于大量應用來說是足夠的。依據本發明可以使用唯一的安培表，因為調節器知道目前激活的開關件并因此可以將所測量的電流值準確地分配給一個組。在一種實施方式中，與負載并聯伏特表且伏特表與調節器的第三輸入端連接。負載上實際施加的電壓借助與該負載并聯的伏特表測量。伏特表通過其線路與調節器的第三輸入端連接。在一種簡單的實施中，安培表和/或伏特表實施為傳送器，該傳送器具有初級線圈和次級線圈并用于電去耦。在這種情況下，電流值和/或電壓值的確定在裝備有適當測量組件的調節器內進行。對于所要實施的電流測量來說，與可控電氣開關件的數量無關，僅需兩個測量組件，因為僅最多兩個可控電氣開關件同時激活。測量組件與所要測量的第二輸入端之間的連接通過多路復用器實現，其中，多路復用器由調節器控制，該調節器對所要觸發的可控電氣開關件進行選擇。在一種特殊的實施方式中，可控電氣開關件通過兩個反并聯的晶閘管構成。在另一種構成中，可控電氣開關件通過三端雙向可控硅開關構成。可控電氣開關件可以通過兩個反并聯的晶閘管或一個三端雙向可控硅開關實現， 其中，其控制線路與產生晶間管或三端雙向可控硅開關觸發脈沖的調節器連接。依據本發明，方法方面的目的利用一種開頭所述類型的相位控制由此得以實現， 即將額定值作為第一輸入量預先規定給用于控制可控電氣開關件的機構，測量分別流過可控電氣開關件的電流并作為各自的第二輸入量傳送到用于控制可控電氣開關件的機構，測量負載上電壓的實際值并作為第三輸入量傳送到用于控制可控電氣開關件的機構，以及用于控制可控電氣開關件的機構通過第一、第二和第三輸入量控制所有可控電氣開關件，其中，最多兩個可控電氣開關件同時激活。為用于控制可控電氣開關件的機構預先規定額定值，該額定值與流過負載的額定電流或負載上施加的額定電壓相對應。測量流過可控電氣開關件的電流并作為第二輸入量提供給調節器。作為第三輸入量測定負載上的電壓并同樣作為第三輸入量提供給調節器。受與預先規定的額定值相應的第一輸入量、所測量的電流值和所測量的電壓值控制地，通過調節器選擇那些為達到額定預定值所需的并產生相位控制所需觸發脈沖的可控電氣開關件或組。


下面借助實施例對解決方案進行詳細說明。在所屬附圖中圖1示出按照現有技術用于相位控制的裝置的例子；圖2示出用于相位控制依據本發明裝置的第一實施方式；以及圖3示出用于相位控制依據本發明裝置的第一實施方式。
具體實施例方式圖1電路裝置的分析表明現有技術的缺點在于，在這種類型的電路中，由運行造成，相位控制的一個直至最多兩個調節器同時運行。因此在例如由四個調節器組成的相位控制中，至少兩個調節器被阻斷。對后置連接的可控電氣開關件3如晶閘管或三端雙向可控硅開關3進行控制的調節器2通常通過一個共用的控制器9，例如SPS (可編程序控制器) 來控制。根據圖2，依據本發明的解決方案在于，使用僅一個控制器9和一個調節器2用于相位控制1的所有可控電氣開關件3。為該調節器2由控制器9 (SPQ僅預先規定所要控制的預先規定的電氣量的額定值。與此相反，按照現有技術為每個調節器2產生一個調節值， 用于因此通過調節器2控制各自的可控電氣開關件3 (圖1)。借助該調節器2然后僅選擇并觸發所需的可控電氣開關件3。因為可控電氣開關件3的選擇和觸發通過調節器2本身進行，所以控制器9與調節器2之間也不再總是需要某種類型的通信。因為調節器2已知所有必要的信息，如可控電氣開關件3所要調整的額定值、電流和電壓的實際值，所以該系統無需其他直接的控制部件或測量傳感器。因為同時觸發兩個功率部分或組在技術上不是問題，例如在三相技術上三組同時供電，所以僅需增加用于觸發和電流測量的接線端數量并采用內部的鎖止。圖1示出相位控制器1，該相位控制器包括六個單獨的調節器2。每個調節器2與各一個例如通過兩個反并聯的晶閘管3形成的可控電氣開關件3連接。晶閘管通過所屬調節器2的控制信號控制。此外，每個調節器2與用于電流測量的機構4通過各一個第二輸入端連接。晶閘管與變壓器11的所屬抽頭16之間連接線路保險器件5。電路的這些組成部分組成一個所謂的組6。該電路裝置包括六個這種組6，其中，每個調節器2除了用于與所分配的用于電流測量的機構4連接的輸入端外，還包括用于與用于電壓測量的共用機構7連接的第三輸入端，該共用機構測定實際施加在所要運行的負載8上的電壓。圖1中此外示出SPS形式的控制器9，用于控制六個調節器2和與控制器9連接的用于形成有效值的機構10。
為提供負載8上所需的電壓設有變壓器11，該變壓器具有初級線圈13和具有多個抽頭16的次級線圈14。圖1中示出用于50V、100V、150V、200V、250V和300V電壓的抽頭 16，其中，為每個抽頭16分配一個組6。下面根據圖1介紹現有技術的電路裝置的工作原理。在該例子中，介紹將組B和 A變換成組C和B時的控制過程。作為假設，預先規定采用字母“A”標注的組6A以110° el的控制角來工作，采用“B”標注的組6B以所謂的全調制(Vollaussteuerimg)來工作，其中電流流量隨著抽頭 “250V”上施加電壓的正半波的過零而開始。因此如分圖D所示，受組6B控制，通過負載的電流流量在第一正半波上隨著過零而開始。分圖D和E分別示出一個全正弦振蕩的電壓-時間分布。分圖中示出帶有與帶 300V電壓數據的抽頭16的電壓相應的300V振幅的各一個正弦振蕩和帶有與帶250V電壓數據的抽頭16的電壓相應的250V振幅的各一個正弦振蕩。分別通過相應的組6實現的電流流量在分圖中通過每個半波的涂黑部分示出。在點110° el上，從組6B轉換到組6A，如分圖E所示，其中，正半波上的電流流量隨著電壓過零在180°時結束。負半波上的電流流量與上面所示類似，受組6B控制，隨著電壓過零進入負半波而開始。在負半波的控制角110° el時重新轉換到組6A，直至達到負半波結束。對控制所需的與控制角相關的控制數據由SPS(PLC)的控制器9通過總線系統，例如過程現場總線傳遞給調節器2。在各單個組6內測量電流。此外，總和電流或總電流通過與用于有效值形成的裝置10連接的總和電流互感器12測定。借助用于有效值形成的裝置10產生有效值并作為標準信號或實際值通過線路轉發給控制器9。在該測量值(反饋值)的基礎上，將信號與由未示出的上級設備產生的預先規定的額定值進行比較，該上級設備為調節器2計算相應的控制角并將控制信號傳送到各自所要觸發的調節器2。同樣未示出的附加電路這樣鎖止控制脈沖，使組6B內調節器2發出的控制信號在 180° el時阻斷，以便不在負相中觸發調節器2。調節器2設計為0° -180° el導通持續時間的標準控制器。各自的安培表4到所屬調節器2的直接電流路徑對于快速的組電流限制是必要的，因為控制器9由于其處理速度而不能滿足這種功能。控制器9附加檢查所開放的調節器2的狀態并評估狀態和錯誤消息。如果因為例如溫度過高而需要減少負載8上施加的輸出電壓(輸出電流)，那么加大組6A調節器2的控制角，例如從110° el加大到160° el。晶閘管3控制角的這種加大最多只能達到180° el的數值，因為因此在整個半波內不再進行調制并因此沒有電流流量。在180° el的控制角時，調節器2雖然斷開，但始終仍處于準備狀態。總電流現在僅流經由組6B的調節器2觸發的電氣開關件3。如果在這種情況下達到全調制，那么不產生諧波。
如果必須進一步減少負載8上的輸出電壓，那么組6A的調節器2由控制器9阻斷，且開放組6C的調節器2。現在，受組6C控制，以正半波開始，電流流量隨著電壓的過零而開始。在該半振蕩的內部，在達到預先規定的控制角時轉換到組6B上。為實現這種控制過程，需要控制器9的幾個動作以觸發三個調節器2，這些動作相應需要控制器9大量的工作循環周期。下面借助依據本發明的解決方案介紹控制過程。(圖2)適用相同的假設，即采用字母“A”標注的組6A以110° el的控制角來工作，采用 “B”標注的組6B以所謂的全調制來工作，其中電流流量隨著抽頭“250V”上施加電壓的正半波的過零而開始。因此如分圖D所示，受組6B控制，電流流量在第一正半波上隨著過零而開始。在點110° el上從組6B轉換到組6A，如分圖E所示，其中，正半波上的電流流量隨著電壓過零在180°時結束。負半波上的電流流量與上面所示類似，受組6B控制，隨著電壓過零進入負半波而開始。在負半波的控制角110° el時重新轉換到組6A，直至達到負半波結束。在依據本發明的電路裝置中，為所有可控電氣開關件3設有一個共用的調節器2。 在該例子中，可控電氣開關件3實施為晶閘管。由控制器9為該調節器2僅預先規定額定值。調節器2本身評估安培表4和伏特表7的測量值，測定用于所需組6的控制角并產生用于晶閘管的控制信號。為此目的，調節器2通過第一輸入端17與控制器9連接，通過第二輸入端 18. 1-18. 6與所屬的安培表連接并通過第三輸入端19與伏特表7連接。在圖2所示的例子中，安培表4和在負載8上的伏特表7實施為傳送器，且對電流與電壓的測量通過調節器2 內部未示出的組件來執行。因為最多僅兩個組6同時工作，所以也僅需評估兩個、各自的安培表4的電流測量。因此調節器2內僅設有兩個用于電流測量的測量傳感器。通過調節器2內同樣未示出的適當的多路復用器，將調節器2的那些用于所連接的屬于激活的組6的并應被評估的安培表4的輸入端18. 1-18. 6接通至兩個內部測量傳感器。在假設輸出前提下，是組6A和B的安培表4。在依據本發明的該實施方式中，可以取消總和電流互感器12以及用于有效值形成的裝置10。將電流輸入端向內部測量傳感器(其作為AD轉換器從模擬測量信號中產生數字測量值)開放與輸出脈沖的輸出是內部耦合的，從而在測量技術上僅檢測其內晶間管被觸發的、目前進行電流輸送的或激活的組6。開關件(晶閘管、三端雙向可控硅開關)特性曲線的非線性通過算法補償。控制器9僅將一個額定值給予調節器2，到組6上的實際分布通過調節器2的邏輯電路本身自動正確進行。由此需要評估更少的必須向控制器傳送的狀態消息和錯誤消息。此外，無需考慮通過控制器的內部處理時間造成的和例如可能處于IOOms數量級的延遲時間。其他鎖止電路以及對由電網頻率QOms)確定的期限(Ablauf)的注意無需再考
^^ ο圖3中示出用于相位控制依據本發明裝置的第二方案。與圖2所示裝置的區別在于，借助安培表4的電流測量不是通過各一個設置在組6內的安培表4，而是僅借助唯一的
7安培表4進行。該安培表在負載8的負載電流電路內例如設置在可控電氣開關件3與負載 8之間。依據本發明可以這種方式進行電流測量，因為調節器2觸發開關件3并因此知道目前激活的開關件3。在確定的時間點上測量的電流因此可以分配給在該時間點上激活的開關件3和儲存。附圖標記列表1相位控制2調節器3可控電氣開關件(晶閘管/三端雙向可控硅開關)4安培表5保險器件6組7伏特表8負載9控制器10 有效值形成器11 變壓器12 總和電流互感器13 初級線圈14 次級線圈15 次級線圈的末端16 次級線圈的抽頭17 第一輸入端18 第二輸入端19 第三輸入端
權利要求
1.用于相位控制的裝置，包括具有初級線圈和次級線圈用于產生電壓的變壓器，其中， 所述次級線圈具有末端和至少兩個抽頭，其中，每個抽頭上連接各一個可控電氣開關件且所述可控電氣開關件與負載的第一接線端連接，其中，所述負載的第二接線端與所述次級線圈的所述末端連接，其特征在于，全部可控電氣開關件(3)與一個共用的調節器(2)連接，該調節器具有用于第一控制信號的第一輸入端(17)。
2.按權利要求1所述的裝置，其特征在于，與所述可控電氣開關件(3)串聯地設置有保險器件(5)。
3.按權利要求1或2所述的裝置，其特征在于，與所述可控電氣開關件(3)串聯地設置有安培表(4)且所述安培表(4)與所屬的、所述調節器O)的第二輸入端(18)連接。
4.按權利要求1或2所述的裝置，其特征在于，與所述負載(8)串聯地設置有安培表 (4)且所述安培表(4)與所屬的、所述調節器O)的第二輸入端(18)連接。
5.按權利要求1所述的裝置，其特征在于，與所述負載(8)并聯有伏特表(7)且所述伏特表(7)與所述調節器O)的第三輸入端(19)連接。
6.按權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述可控電氣開關件(3)通過兩個反并聯的晶閘管構成。
7.按權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述可控電氣開關件(3)通過三端雙向可控硅開關構成。
8.用于相位控制的方法，其中，為負載預先規定所要控制的電氣量的額定值并通過開通或關斷多個并聯的可控電氣開關件進行控制，所述可控電氣開關件設置在交流電壓發生器與所述負載之間的電流電路中并利用相位控制法工作，其特征在于，將所述額定值作為第一輸入量預先規定給用于控制所述可控電氣開關件的機構，測量分別流過可控電氣開關件的電流并作為各自的第二輸入量傳送到所述用于控制所述可控電氣開關件的機構，測量所述負載上電壓的實際值并作為第三輸入量傳送到所述用于控制所述可控電氣開關件的機構，以及所述用于控制所述可控電氣開關件的機構通過所述第一、第二和第三輸入量控制所有可控電氣開關件，其中，最多兩個可控電氣開關件同時激活。
全文摘要
本發明涉及一種用于相位控制的裝置和方法，其目的在于，提供一種相位控制，利用該相位控制降低制造和功能檢查時的開支和成本。該目的在裝置方面由此得以實現，即所有可控電氣開關件與一個具有用于第一控制信號的第一輸入端的共用調節器連接。該目的在方法方面由此得以實現，即將額定值作為第一輸入量預先規定給用于控制可控電氣開關件的機構，測量分別流過開關件流動的電流并作為各自的第二輸入量傳送到用于控制開關件的機構，測量負載上電壓的實際值并作為第三輸入量傳送到用于控制開關件的機構，以及用于控制開關件的機構通過第一、第二和第三輸入量控制所有開關件，其中，最多兩個開關件同時激活。
文檔編號H05B37/00GK102246598SQ200980149628
公開日2011年11月16日 申請日期2009年7月8日 優先權日2008年12月9日
發明者維爾弗里德·福爾馬爾 申請人:森托塞姆硅科技有限公司