用于在三相系统中并联连接的阻抗组的低水平谐波控制系统

摘要

一种用于控制电功率从网络(200)到各个阻抗组(212，222)的供应的控制系统，包括：用于与AC供电网络的周期同步的同步系统(17，18)和可编程控制单元。可编程控制单元具有控制表(250)。每个控制表(250)对应于最大电功率的特定百分比。每个控制表具有比特(0或1)的序列，1值的百分比对应于最大功率的百分比。可编程控制单元提供控制表(250)形式的数字输出(216，226)，用于控制到各个阻抗组(212，222)的电功率的静态功率开关(214，224)的命令。一个组(210，220)中的阻抗(212，222)以星形连接，并且各个组(210，220)并联连接。控制系统保证对以低的谐波水平均等地分布在三个相位上的电功率的高效使用。

说明书

技术领域

本发明涉及用于控制电功率从网络到各个阻抗组的供应的控制系统。

本发明还涉及这样的控制系统在非接触式干燥系统中的使用。

背景技术

根据US-A-5,053,604已知用于电功率从网络到电阻器的供应的控制系统。

这一现有技术的控制系统公开了用于借助于电阻器来控制熔炉的加热的过程和 设备。诸如晶闸管等开关设备被使用。开关设备由工业计算机、逻辑控制器或者某个等效设 备以切分(syncopated)方式来控制。具有数字值“1”和“0”的控制表由工业计算机等生成并 且以同步方式用作晶闸管的逻辑控制(接通-断开)。

然而，US-A-5,053,604的现有技术的控制系统被设计用于控制工业熔炉以及更具 体地用于控制玻璃制造熔炉。对用于回火和弯曲的玻璃板的加热需要在非常窄的范围内来 控制。因此，US-A-5,053,604公开了适应于由供电网提供的电功率的波动的措施。

诸如US-A-5,053,604中的具有电阻器的工业熔炉具有极大的时间常数或者很高 的热惯量，使得不需要快速反应的控制系统。

另外，US-A-5,053,604中使用的电连接为开口delta(三角)连接，其不生成高水平 的谐波，以使得不需要避免谐波。

此外，US-A-5,053,604的电气方案仅使用两个相位而非三个相位。

EP-A1-0040017公开了一种用于控制电功率从网络到各个阻抗组的供应的控制 系统。控制系统包括可编程控制单元。阻抗以星形连接，并且这些组并联连接。

DE-A1-3304322公开了一种电热水器。来自网络的电功率与水的体积流量成比 例。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种用于控制电功率到各种阻抗的供应的控制系统。

本发明的特别目的是使用小的时间常量或者低的热惯量控制到阻抗组的电功率。

本发明的另一目的是提供一种使得能够减少谐波的控制系统。

本发明的又一目的是提供一种对三相供电网络的控制系统的充分并最优的利用。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于控制电功率从网络到各个阻抗组的供应 的控制系统。控制系统包括用于与供电网络的周期——即频率——同步的同步系统。控制 系统还包括可编程控制单元。可编程控制单元具有控制表。每个控制表对应于特定的最大 电功率水平，并且每个控制表具有比特(0或1)序列，其中1值的百分比对应于最大功率水 平。控制可编程单元提供这些控制表之一的形式的数字输出，用于控制到各个阻抗组的电 功率的静态功率开关的命令。至少一个组内的阻抗以星形连接，并且各个阻抗组并联链接。

使各个阻抗组并联连接的这一特征使得能够减少谐波。

一个组内的阻抗的星形连接使得能够优化电功率。

根据优选实施例，至少一个组内的阻抗以星形连接而没有到中性引线或中性导线 的连接。这避免了双线缆连接或者双导线连接。

根据另一优选实施例，同步系统生成具有周期的信号。控制单元还包括指针，每个 阻抗组有一个指针，并且每个指针被定位在控制表上并且在上述信号的每个循环前进一个 比特。用于随后相邻的下一阻抗组的指针在控制表中的不同于前面相邻的组的指针的位置 处。这一位置上的差异例如是一个比特。

不同控制表中的指针位置的这一差异避免了电流的峰值，并且进一步降低了谐波 水平。

在最优选的实施例中，同步系统的信号与供电网络具有相位差。

如下文中将参考附图所解释的，这一相位差导致均等功率遍布于三个相位上。

根据实践上的实施例，同步系统的信号为具有上升沿和下降沿的方波，并且上面 提及的指针在上述方波的每个上升沿前进一个比特。

根据另一优选实施例，每个控制表中的1值均匀地遍布于控制表上。

这一均匀遍布的优点在阻抗具有小的时间常数的情况下是明显的，红外线灯正是 这种情况。均匀的遍布限制了灯的所谓的闪烁。

根据又一优选实施例，静态功率开关仅用在三个相位中的两个相位中。这节省了 一个相位中的静态功率开关。

根据本发明的第二方面，提供了一种包括根据本发明的第一方面的控制系统的非 接触式干燥系统。在非接触式干燥系统中，阻抗为红外线灯。

附图说明

图1a图示根据本发明的控制系统的同步系统，图1b图示同步信号的周期与供电网 络的周期之间的相位差；

图2图示根据本发明的控制系统；

图3示出三个红外线灯的星形连接上的电压和电流的曲线。

图4示出向一个阻抗组的电力供应的优选实施例。

图5a、图5b和图5c示出图4的实施例上的电压和电流的曲线。

具体实施方式

图1a图示本发明的控制系统的同步系统。电力的三相供电网络10(400V，AC)通过 中性连接而连接到delta-星形变压器11。变压器电压比为1/10，以使得变压器的输出电压 为40V，AC。中性点与一个相位之间的电压12为或者大约24V。这一电 压12被馈送给对固态继电器15做出命令的静态命令开关13。这些固态继电器15被馈入一个 24V的直流电，并且这生成幅度为24V且频率等于供电网络10的频率的方波17。由于在中性 点与一个相位之间得到AC电压12这一事实，电压12与供电网络10之间存在30°的相位差这在图1b中图示出。这一相位差同样存在于同步方波17与供电网络10之间。这一相位差 的优点将在下文中进行解释。同步方波信号17具有上升沿和下降沿。

18是同步的PLC输入。

图2图示根据本发明的控制系统(的部分)。通常与图1的供电网络相同的三相供电 网络200向非接触式干燥器和检测器(profiler)供应电力。非接触式干燥借助于红外线灯 来进行。红外线灯被分为各个组210、220、……。例如，组210中可以有三个红外线灯212，组 220中可以有三个红外线灯222，等等。每个组的红外线灯的数目也可以是三的倍数：六、 九……。

红外线灯212、222的每个组210、220并联连接到供电网络200。

在每个组210、220内部，红外线灯212、222以星形连接而没有到中性引线或者中性 导线的连接。

诸如相位A和C上的功率晶闸管214、224等静态功率开关确定了到红外线灯212、 222的电流。

静态功率开关214、224接收数字输入信号216、226。信号是数字的，这表示“0”代表 关断并且“1”代表接通。数字输入信号216、226的值由指针218、228在控制表250上的位置来 确定。指针218与第一组红外线灯212相关联。指针228与第二组红外线灯222相关联。指针 228相对于指针218的位置平移一个比特。在同步方波17的每一个上升沿每个指针前进一个 比特。每组红外线灯的每个指针的平移限制了电流的峰值。

存在101个控制表250。每个控制表对应于在0％到100％之间的功率水平：0％、 1％、2％、……、99％、100％。

每个表具有例如256个比特。1值的百分比对应于最大功率水平的百分比。

0％表仅具有0值：00000000……

50％表具有50％的0值以及50％的1值：11001001100……

75％表具有75％的1值：1110111011101110……

100％表仅具有1值：111111111111111……

最优选地，1值均匀地遍布于控制表中，因为这降低了红外线灯的闪烁效应。

图3示出四个周期上的三个红外线灯的星形连接上的电压和电流的曲线。

上半部的曲线为电压曲线，其全部是正弦曲线。

曲线U_AB、U_BC和U_CA分别是图2上的点A-B之间、点B-C之间和点C-A之间的电压。

曲线V_A、V_B和V_C分别是星形的中点与A之间、星形的中点与B之间以及星形的中点与 C之间的电压。

观察下半部的曲线，曲线30是命令信号。功率晶闸管214仅在对应电压V_A、V_B或V_C跨 过零伏特并且命令信号30具有正值的情况下导通。因此生成的电流分别用曲线I_A、I_B和I_C表 示。

这些电流不是正弦的，并且单独取出的每个电流生成谐波。然而，由于红外线灯的 例如十个组的多个组并联连接这一事实，减小了谐波的全局影响。

图4示出向一个阻抗组的电力供应的优选实施例。如同图2的实施例，图4的实施例 的优点在于，其仅具有两个静态继电器40和42。

图5a示出图4的实施例上的电压和电流的曲线。

供电网络为400VAC50Hz的三相网络。相位A和C通过静态继电器被供电，相位B直 接被供电。要供电的三个红外线灯具有阻抗R_A、R_B和R_C。这些红外线灯在235VAC下具有3000W 的标称功率。在本示例中，命令信号50对应于最大功率的50％，并且具有控制表 110011001100……。用于静态继电器40和42的联合命令信号50为方波信号50，方波信号50 在40毫秒期间具有正的信号，之后在40毫秒期间具有零信号。

V_RA、V_RB和V_RC分别是三个红外线灯的阻抗R_A、R_B和R_C上的电压。针对每个红外线灯获 得的功率为：

P_A＝1501W

P_B＝1490W

P_C＝1501W

因此针对每个红外线灯的功率几乎相等。为了获得功率的这一均匀分布，避免命 令信号50的上升沿与电压U_AB和U_BC的过零一致是很重要。如参考图1a和图1b解释的，这可以 通过在一个相位与中性点之间在delta星形变压器的次级站点处对同步系统的静态命令开 关进行线缆连接来获得。以这一方式，在同步系统的方波17与电压U_AB、U_BC和U_CA之间产生相 位差这一相位差避免了方波17的上升沿以及U_AB和U_BC的过零的同时开始。假定不存在相 位差则方波17的较小的延迟可能导致静态继电器或者功率开关保持关断而非接通，反之 亦然。

图5b更详细地示出第一静态继电器40和第二静态继电器42以及三个电阻R_A、R_B和 R_C开始导通的时间。

当电压U_AB过零并且命令信号50为正时，第一静态继电器40从t₁开始导通。R_A上的 电压然后等于U_AB/2，并且R_B上的电压等于-U_AB/2。

从t₂开始，在V_C过零的时刻，第二静态继电器42开始导通。从t₂开始，三个阻抗R_A、R_B和R_C在所有三个相位中被馈电。

参考图5b和图5c二者，三个阻抗R_A、R_B和R_C在t₂到t₃之间在所有三个相位中被馈电。

图5c更详细地示出第一静态继电器40和第二静态继电器42以及三个电阻R_A、R_B和 R_C停止导通的时间。

在t₃，V_A在命令信号50已经变为零的时刻过零，第一静态继电器40停止导通。第二 静态继电器42继续导通直到t₄。R_C上的电压等于-U_BC/2并且R_B上的电压等于U_BC/2。

在t₄，在U_BC过零并且命令信号50为零的时刻，第二静态继电器也停止导通。

如根据图5a可以得到的，除了开始周期t₁-t₂以及停止周期t₃-t₄，信号非常接近正 弦形状，以使得谐波的水平被限制。

另外，并且如已经提及的，由于各个阻抗组被并联地线缆连接，所以谐波的影响被 进一步最小化。

附图标记与符号表

10电功率供电网络

11变压器

12中性点与一个相位之间的电压

13静态命令开关

15固态继电器

1624DC电压

17同步方波

18同步输入PLC

Y星形连接

ΔDelta连接

相位差200供电网络

210第一组红外线灯

212红外线灯

214功率晶闸管

216数字输入信号

218控制表上的指针

220第二组红外线灯

222红外线灯

224功率晶闸管

226数字输入信号

228控制表上的指针

250控制表

30命令信号

40第一静态继电器

42第二静态继电器

50命令信号

U_ABA与B之间的电压

U_BCB与C之间的电压

U_CAC与A之间的电压

V_AA上的电压

V_BB上的电压

V_CC上的电压

I_A通过相位A的红外线灯的电流

I_B通过相位B的红外线灯的电流

I_C通过相位C的红外线灯的电流

R_A红外线灯的阻抗

R_B红外线灯的阻抗

R_C红外线灯的阻抗

V_RA阻抗R_A上的电压

V_RB阻抗R_B上的电压

V_RC阻抗R_C上的电压