DE69224667T2 - Methode zum Abtasten von dem quadratischen Mittelwert einer Wellenform - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abfühlen des Effektivwerts einer elektrischen Wellenform und insbesondere - nicht aber ausschließlich - auf ein Verfahren zum Steuern/Regeln der Effektivspannung in einer Lastschaltung, der eine phasenzerhackte&sub1; sinusförmige Spannungswellenform zugeführt wird.
• Die präzise Messung von Effektivwerten (quadratischer Mittelwert) von nicht sinusförmigen Wellenformen hat bisher Schaltungsanordnungen erfordert, die relativ komplex und teuer sind. Eine typische Analogschaltung berechnet den Effektivwert durch Quadrieren des momentanen Werts des Eingangssignals, Dividieren dieses Ergebnisses durch den vorher berechneten Effektivwert und Mitteln des Ergebnisses, um einen aktualisierten Effektivwert zu liefern. Die erforderlichen linearen Schaltungen für das Quadrieren und die Divisionsberechnungen haben eine(n) beträchtliche(n) Komplexität und Kostenaufwand zum Ergebnis, falls befriedigende Ergebnisse erzeugt werden sollen.
• Eine übliche Schaltungsanforderungen ist, in einer Lastschaltung eine konstante effektive Versorgungsspannung bereitzustellen, indem eine Netzversorgung unter Verwendung einer Phasenzerhackvorrichtung reguliert wird, wobei der Phasensteuerwinkel, bei dem die sinusförmige Versorgungsspannung zerhackt wird zum Regulieren der Effektivleistung in der Lastschaltung, um Fluktuationen in der Amplitude der Netzversorgungsspannung und Fluktuationen in der Lastimpedanz zu kompensieren.
• Die US-A-4,779,007 stellt eine Energieversorgungsschaltung zur Erzeugung einer ununterbrochenen Wechselleistung bereit. Die Einheit weist Notstrombatterien und eine Ladeeinrichtung für die Batterien auf. Die Einheit empfängt den Netzwechselstrom und verwendet den Netzwechselstrom zum Laden einer Batterie. Die Einheit richtet ferner den Wechselstrom gleich, um einen Gleichstrom zu erzeugen. Die Einheit weist eine Schalteinheit zum Schalten zwischen dem durch das Gleichrichten des Wechselstroms erzeugten Gleichstrom und dem durch die Batterien zugeführten Gleichstrom. Der gewählte Strom wird dann in eine Wechselstromausgabe umgewandelt.
• Die US-A-3,564,389 stellt eine Schaltung zum Erzeugen eines im wesentlichen stationären Signais bereit, das für den Effektivwert eines zeitvariierenden Eingabesignals repräsentativ ist. In der Schaltung wird das zeitveränderliche Eingabesignal gleichgerichtet und dann mit einer skalierten Version des Ausgabesignais (d.h. des im wesentlichen stationären, den Effektivwert repräsentierenden Signais) kombiniert, wobei das resultierende Signal dann durch einen Tiefpaßfilter gemittelt wird, um das Ausgangssignal zu liefern.
• Die vorliegende Erfindung trachtet, ein relativ einfaches Verfahren zum Abfühlen des Effektivwerts der Wellenform in derartigen Schaltungen bereitzustellen, bei denen die Form der Wellenform dahingehend bekannt ist, daß sie die Wellenform einer phasenzerhackten sinusförmigen Wellenform ist.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Abfühlen des Effektivwerts einer phasenzerhackten, sinusförmigen elektrischen Wellenform bereitgestellt, umfassend die Schritte: Kombinieren eines für die Wellenform repräsentativen Eingabesignals mit einem Hilfssignal in einer Kombinierschaltung, die eine Kombinierschaltungsausgabe erzeugt, die gleich dem größeren von dem Hilfssignal oder einem für das Eingabesignal repräsentativen Absolutwert ist, und Mitteln der Kombinierschaltungsausgabe über wenigstens einen halben Zyklus der Wellenform, um einen für den abgefühlten Effektivwert repräsentativen Ausgabesignalpegel zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfssignal das Produkt eines vorbestimmten Faktors multipliziert mit einem Steuersignal ist, das durch ein Mittel zum Setzen eines gewünschten Werts des Ausgabesignalpegels erzeugt ist.
• Ein Vorteil dieses Verfahrens ist, daß es nicht notwendig ist, Schaltungen bereitzustellen, die zum Durchführen einer Quadrierung und einer Division geeignet sind.
• Bei einer Ausführungsform weist die elektrische Wellenform einen steuerbaren Effektivwert auf&sub1; und der Wert des Steuersignais wird auf einen Pegel gesetzt, der dem Pegel des Ausgabesignals entspricht, das für einen gewünschten steuerbaren Effektivwert der elektrischen Wellenform repräsentativ ist. Bei einer anderen Ausführungsform weist das Hilfssignal eine Wellenform auf, die während jedes halben Zyklus der phasenzerhackten, sinusförmigen Wellenform variiert.
• Der vorbestimmte Faktor ist bevorzugt im wesentlichen gleich zu 78,5 % über jeden Zyklus.
• Der Wert von 78,5 % wurde empirisch dahingehend bestimmt, daß er zum Liefern einer befriedigenden Repräsentation des Effektivwerts angemessen ist, wenn eine Wellenform verarbeitet wird, die phasenzerhackt ist. Der Begriff phasenzerhackt ist in der gesamten Beschreibung dahingehend zu verstehen, daß er die Modifikation einer sinusförmigen Wellenform meint, bei der die Wellenform für ein gesteuertes Zeitintervall konstant bei null gehalten wird, das unmittelbar nach jedem Nulldurchgangspunkt der Wellenform folgt, wobei das Zeitintervall einem Phasensteuerwinkel einer Phasenzerhackvorrichtung entspricht.
• Wenn andere Formen des Zerhackens einer sinusförmigen Wellenform zur Leistungsregulierung verwendet werden, oder wenn die Grundform der Wellenform eine andere als sinusförmig ist, dann können andere Werte des vorbestimmten Faktors für den Gebrauch in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung empirisch bestimmt werden.
• Bevorzugt umfaßt die Kombinierschaltung einen Gleichrichter, der den Absolutwert des Eingabesignals erzeugt, und die Kombinierschaltung umfaßt ferner eine lineare ODER-Funktion-Vorrichtung, die den Absolutwert des Eingabesignals mit dem Hilfssignal auf die oben beschriebene Art und Weise kombiniert.
• Die Ausgabe der Kombinierschaltung kann zweckdienlich durch einen Tiefpaßfilter gemittelt werden.
• Das Verfahren kann den Schritt des Vergleichens des Ausgabesignalpegels mit dem Signalpegel des Steuersignals in einem Komparator umfassen, um ein Rückkoppelsignal zu erzeugen, das eine Phasenzerhackvorrichtung reguliert, um den Phasensteuerwinkel zu regulieren, bei dem die Wellenform zerhackt wird.
• Das obige Verfahren des Abfühlens des Effektivwerts kann in einem Verfahren zum Steuern/Regeln einer Effektivspannung in einer Lastschaltung enthalten sein, bei der die Phasenzerhackvorrichtung in Reihe mit einer Primärspule eines Netztransformators verbunden ist, der eine mit der Lastschaltung verbundene Sekundärspule aufweist.
• Der Effektivwert der zu der Lastschaltung gelieferten Spannung kann deshalb mittels der Rückkoppelschleife, die durch das Rückkoppelsignal und die Phasenzerhackvorrichtung geliefert wird, genau geregelt werden.
• Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun nur als Beispiel und mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
• Figur 1 ein schematisches Schaltungslayout ist, das ein Verfahren zum Steuern/Regeln einer Effektivspannung in einer Lastschaltung veranschaulicht;
• Figur 2 eine phasenzerhackte Wellenform und ein Hilfssignal zeigt; und
• Figur 3 eine entsprechende Ausgabe einer linearen ODER-Funktion- Vorrichtung einer Abfühlschaltung zeigt.
• In Figur 1 wird einer Lastschaltung 1 eines Niedervolt-Beleuchtungssystems eine phasenzerhackte, sinusförmige Spannung mittels eines Transformators 2 zugeflihrt, der eine mit einer Phasenzerhackvorrichtung 4 verbundene primäre Spule 3 aufweist. Die Lastschaltung 1 ist mit einer sekundären Spule 5 des Transformators 2 durch eine Versorgungsleitung 6 über die Ferne verbunden, und mit der Versorgungsleitung sind benachbart der Lastschaltung 1 Abfühldrähte 7 verbunden.
• Die Abfühidrähte 7 tragen ein Eingabesignal 8 zu einer Abfühischaltung 9 (in unterbrochenen Linien in Figur 1 unirissen), die ein Rückkoppelsignal 10 erzeugt, das zu der Phasenzerhackvorrichtung 4 zugeführt wird, um den Phasensteuerwinkel zu regulieren, bei dem die Spannungsversorgung reguliert wird.
• Es ist eine Steuereinheit 11 mit Mitteln zum Setzen eines gewünschten Pegeis der Effektivspannung vorgesehen, die der Lastschaltung 1 zuzuführen ist. Die Steuereinheit 11 erzeugt ein Steuersignal 12, das zu einem Komparator 13 der Abfühischaltung 9 eingegeben wird.
• Der Wert des Steuersignais wird auf einen Pegel gesetzt, der demjenigen Wert des Ausgabesignals 21 entspricht, das für die gewünschte Effektivspannung repräsentativ ist.
• Die Abfühischaltung 9 weist einen aktiven Gleichrichter 14 auf, der das Eingabesignal 8 gleichrichtet, um ein gleichgerichtetes Ausgabesignal 15 zu erzeugen, das dann einer linearen ODER-Vorrichtung 16 eingegeben wird. Aus dem Steuersignal 12 wird durch Wirkung eines Spannungsteilers 18, der das Signal auf 78,5 % des Steuersignals reduziert, ein Hilfssignal 17 abgeleitet, und das Hilfssignal wird dann der linearen ODER-Vorrichtung 16 eingegeben.
• Die lineare ODER-Vorrichtung 16 bildet zusammen mit dem Gleichrichter 14 eine Kombinierschaltung, die eine Kombinierschaltungsausgabe 19 erzeugt, die in Figur 3 veranschaulicht ist. Figur 2 zeigt das Eingabesignal 8 vor dem Gleichrichten. Die Kombinierschaltungsausgabe 19 folgt dem Eingabesignal nur dort, wo das Eingabesignal größer als der Pegel des Hilfssignals 17 ist. Wenn das Eingabesignal 8 unter den Pegel des Hilfssignals 17 fällt, wird die Ausgabe 19 dann gleich dem Pegel des Hilfssignals gemacht.
• Die Kombinierschaltungsausgabe 19 wird mittels eines Tiefpaßfilters 20 mit einer langen Zeitkonstante relativ zu der Periode der Wellenform gemittelt, um einen Ausgabesignalpegel 21 zu erzeugen, der dem Komparator 13 eingegeben wird.
• Der Ausgabesignalpegel 21 ist in einer guten Näherung für den Effektivwert des Eingabesignals 18 repräsentativ. Typischerweise ändert sich der Phasensteuerwinkel A zwischen 30º und 150º, wie in Figur 2 veranschaulicht, und es wird innerhalb dieses Betriebsbereiches eine gute Näherung eingehalten.
• Es wurde gefunden, daß in einem praktischen System zum Steuern einer Effektivspannung in einer Lastschaltung 1 das obige Verfahren befriedigende Ergebnisse liefert, ohne die Notwendigkeit für komplexe Quadrierungs- und Divisionsschaltungsanordnungen.
• Im Fall einer Amplitudenfluktuation in der Netzversorgung nimmt das momentane Eingabesignal 8 in der Amplitude zu oder ab, was eine Zunahme oder Abnahme des Ausgabesignalpegeis 21 zur Folge hat. Der Komparator 13 erzeugt dann ein Fehlersignal oler ein Rückkoppelsignal 10, das der Phasenzerhackvorrichtung 4 befiehlt, die der Primärspule 3 zugeführte Energie/Leistung zu reduzieren oder zu vergrößern, indem der Phasensteuerwinkel (A) vergrößert bzw. verkleinert wird, bis das Fehlersignal oder Riickkoppelsignal 10 auf null gebracht ist.
• In einem typischen Beispiel besteht die Lastschaltung 1 aus einer 12-Volt- Beleuchtungsschaltung, bei der eine Anzahl von Lampen parallel über die Versorgungsleitung 6 verbunden sind. In dem Fall eines Leerlaufversagens einer dieser Lampen wird die der Sekundärspule 5 präsentierte Impedanz vergrößert, und das Eingabesignal 8 wird dementsprechend zunehmen. Der Komparator 13 ist wirksam, ein geeignetes Rückkoppelsignal 10 zu liefern, um die Energielleistungszufuhr durch Vergrößern des Phasensteuerwinkels (A) zu vermindern, bis das Rückkoppelsignal auf null gebracht ist. Alternativ kann die Kombinierschaltungsausgabe 19 mittels eines Integrators gemittelt werden, der wirksam ist, die Ausgabe über wenigstens einen halben Zyklus der Wellenform zu integrieren.
• Die lineare ODER-Funktion kann durch andere geeignete lineare Vorrichtungen ersetzt werden, vorausgesetzt, daß die Kombinierschaltung das gleiche Ergebnis wie oben mit Bezugnahme auf Figur 3 beschrieben erreicht.
• Die obigen Ausf(ihrungsformen sind dazu ausgelegt, für eine Veränderung im Phasensteuerwinkel zwischen näherungsweise 30º und 150º befriedigend zu arbeiten. Falls die Schaltung arbeiten muß, wenn der Phasensteuerwinkel auch zwischen 0º und 30º und zwischen 150º und 180º variiert, dann kann eine Modifikation der Schaltung erforderlich sein, um die Genauigkeit zu verbessern. Dies ist deshalb der Fall, da - wenn der Phasensteuerwinkel innerhalb des Bereiches 0º bis 30º oder 150º bis 180º liegt - die momentanen Werte der Wellenform kleiner als der stationäre Wert des Hilfssignals sind, so daß eine Fluktuation im Phasensteuerwinkel nicht eine entsprechende Änderung in der Kombinierschaltungsausgabe 19 zur Folge hat. Um diesen Fehler zu korrigieren, kann der konstante Spannungspegel des Hilfssignals 17 durch eine Hilfswellenform ersetzt werden, die sich während jedes Halbzyklus der Wellenform ändert, wobei die Hilfswellenform derart gewählt ist, daß sie eine Form aufweist, die eine Kombinierschaltungsausgabe ergibt, die - wenn gemittelt - eine wahrere Repräsentation des Effektivwerts für alle Phasensteuerwinkel liefert.

Claims (11)

1. Verfahren zum Abfühlen des Effektivwerts einer phasenzerhackten, sinusförmigen elektrischen Wellenform umfassend die Schritte: Kombinieren eines für die Wellenform repräsentativen Eingabesignals (8) mit einem Hilfssignal (17) in einer Kombinierschaltung (14, 16), die eine Kombinierschaltungsausgabe (19) erzeugt&sub1; die gleich dem größeren von dem Hilfssignal oder einem für das Eingabesignal repräsentativen Absolutwert ist, und

Mitteln der Kombinierschaltungsausgabe über wenigstens einen halben Zyklus der Wellenform, um einen für den abgefühlten Effektivwert repräsentativen Ausgabesignalpegel (21) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfssignal das Produkt eines vorbestimmten Faktors kleiner als eins multipliziert mit einem Steuersignal (12) ist, das durch ein Mittel (11) zum Setzen eines gewünschten Werts des Ausgabesignalpegeis (21) erzeugt ist.

2. Verfahren zum Abfühlen des Effektivwerts nach Anspruch 1, bei dem die elektrische Wellenform einen steuerbaren Effektivwert aufweist und der Wert des Steuersignals (12) auf einen Pegel gesetzt wird, der dem Pegel des Ausgabesignals (21) entspricht, das für einen gewünschten steuerbaren Effektivwert der elektrischen Wellenform repräsentativ ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei deni das Hilfssignal eine Wellenform aufweist, die sich während jedes halben Zyklus der phasenzerhackten, sinusförmigen Wellenform ändert.

4. Verfahren zum Abfühlen eines Effektivwerts nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der vorbestimmte Faktor über jeden Zyklus im wesentlichen gleich 78,5 % ist.

5. Verfahren zum Abfühlen des Effektivwerts nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Kombinierschaltung einen Gleichrichter (14) umfaßt, der den Absolutwert des Eingabesignals (8) erzeugt.

6. Verfahren zum Abfühlen des Effektivwerts nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Kombinierschaltung eine lineare ODER-Funktion-Vorrichtung (16) umfaßt.

7. Verfahren zum Abfühlen des Effektivwerts nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Kombinierschaltungsausgabe (19) mittels eines Tiefpaßfilters (20) gemittelt wird.

8. Verfahren zum Steuern/Regeln einer Effektivspannung in einer Lastschaltung (1), bei der der Effektivwert einer Spannungswellenform in Übereinstimmung mit einem der vorangehenden Ansprüche abgefühlt wird, wobei das Verfahren die Schritte des Vergleichens des Ausgabesignalpegels (21) mit dem Signalpegel des Steuersignals (12) in einem Komparator (13) umfaßt, um ein Rückkoppelsignal (10) zu erzeugen, das eine Phasenzerhackvorrichtung (4) reguliert, um den Phasensteuerwinkel (A) zu regulieren, bei dem die Wellenform zerhackt wird.

9. Verfahren zum Steuern/Regeln einer Effektivspannung nach Anspruch 8, bei dem die Phasenzerhackvorrichtung mit einer Primärspule (3) eines Netztransformators (12) in Reihe verbunden ist, der eine mit der Lastschaltung (1) verbundene Sekundärspule (5) aufweist.

10. Verfahren zum Steuern/Regeln einer Effektivspartnung nach Anspruch 9, bei dem das Eingabesignal erhalten wird durch Abfühlen einer der Lastschaltung zugeführten Spannung an einer einer Lastvorrichtung der Lastschaltung (1) benachbarten Stelle.

11. Verfahren zum Steuern/Regeln einer Effektivspannung nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die Lastschaltung (1) eine Niedervolt-Beleuchtungsschaltung ist.