用前沿或后沿相位切断来操作交流网络中若干负载的方法

摘要

本发明涉及用于操作交流网络中的第一和第二电负载或消耗设备的方法。该方法可以采用可选的第一操作模式操作，其中对于每个负载的正和负半波以第一前沿相位角来控制。另外，提供第二操作模式，其中对于第一负载的正和负半波的第一部分以及对于第二负载的正和负半波的第二部分以相应的第二前沿相位角来控制。本发明进一步涉及用于执行方法的装置，其具有对于第一和第二负载的第一和第二前沿相位角控制部件。

说明书

技术领域

本发明涉及用前沿或后沿相位切断或转换来操作交流网络中若干负载或消耗设备的装置和方法。

背景技术    

特别地，在用于生产薄膜太阳能电池的装置中，需要高功率加热过程，其中为了优化过程，还应允许具有相对低的加热功率的控制范围。为了该目的，特别使用前沿相位角控制部件以便尽可能均匀地加热例如由玻璃制成的衬底。

鉴于电流的非正弦形状，前沿相位角控制部件是不利的，因为电流仅在半波的一部分中流动。需要的电流越低，前沿相位角（例如，对应于50%至0%的90°至180°）越大并且电流的曲线形状与正弦形状的偏差越大。这导致在供应网络上以谐波形式的反应。因为由供应网络中的谐波电流引起的损耗可能是明显的，例如根据特定标准（例如，EN61000-3-2、EN61000-3-12、EN61000-2-2、EN61000-2-4和EN50160），这些反应应该被限制。

为了减少谐波，DE 197 05 907 A1建议使触发角在预定的期望触发角周围变化以便由前沿相位角电路提供对连接到AC供应网络的电消耗设备的功率控制。

EP 1 529 335 B1提供一种设备，其中第二开关元件被较早转换到传导状态使得电流流动，这在实际的第一开关元件的触发后由该第一开关元件接管。这导致电流整体相对平滑的增加，使得谐波从而减少或部分消除。

DE 10 2007 059 789 B3建议采用功率以正弦方式变化这样的方式来选择周期序列中交流的每半波的触发角，而没有正与负半波之间平均起来被抵消的功率平衡。从而可能设计产生的谐波使得它们平均起来可以互相消除。

发明内容

本发明的目的是提供一种装置和一种方法，其用于在相对大的功率控制范围内以及还在相对低负载的情况下利用前沿相位转换来减少负载操作期间的谐波以便实现例如对玻璃衬底的特定均匀加热分布。为了该目的，尤其是用于满足极限值的经济上适用的措施应在上文描述的标准中找到。该目的由权利要求的特征实现。

本发明从两个或以上的消耗设备的正常前沿相位角控制的概念出发，其中每个消耗设备使用两个前沿相位角控制的半波（第一操作模式）。如上文论述的，在消耗设备的低负载的情况下，网络上的干扰和反应是巨大的，由于对于两个消耗设备的接通相位互相重叠而愈发巨大。根据本发明，为该目的提供第二操作模式，其中特定数量的后续半波仅对于第一消耗设备而驱动并且特定数量的接着的之后部分的波仅对于第二消耗设备而驱动等，在每个情况下利用第二前沿相位角。

本发明从而大体上涉及利用可选的第一操作模式和第二操作模式的方法，在该第一操作模式中对于每个消耗设备的正和负半波以第一前沿相位角或第一后沿相位角来驱动，在该第二操作模式中正和负半波的第一部分（仅）对于第一消耗设备而被控制并且正和负半波的第二部分（仅）对于第二消耗设备而被控制，在每个情况下利用第二前沿相位角或第二后沿相位角。

例如，半波的第一部分可以是正半波并且半波的第二部分是负半波。

根据这样的实施例，本发明可以涉及AC网络中的方法，其中第一和第二电消耗设备应在0%至50%的负载下操作。在这里，负半波可以对于第一消耗设备被关断以及正半波对于第二消耗设备被关断，并且正半波可以对于第一消耗设备接通以及负半波对于第二消耗设备接通（例如，利用第二前沿相位角），即负半波仅用于一个消耗设备并且正半波仅用于另一个消耗设备。

根据本发明的用于操作AC网络中的第一和第二电消耗设备的方法可以提供第一操作模式，其中正和负半波以第一前沿相位角对每个消耗设备而驱动。此外，如果第一前沿相位角是至少90°，它可以通过对第一消耗设备关断负半波并且对第二消耗设备关断正半波以及利用第二前沿相位角对第一消耗设备驱动正半波和对第二消耗设备驱动负半波而转换到第二操作模式。

例如，如果负载是相对低的并且前沿相位角处于90°至180°的范围内的该已知概念（第一前沿相位角）中，即，每个半波的负载在50%至0%的范围内，可以启用不同的操作模式，其中一个消耗设备仅使用正半波并且另一个消耗设备仅使用负半波。

而且在消耗设备的相对低功耗的情况下，两个半波的前沿相位角（=第二前沿相位角）以及从而电流曲线与正弦形状的偏差与已知解决方案（利用第一前沿相位角）相比从而可以减少，使得以谐波形式的网络上的反应减少。

本发明还可以涉及用于操作AC网络中的第一和第二电消耗设备的方法，其中该方法包括仅上文描述的第一操作模式和仅上文描述的第二操作模式。

根据实施例，对于消耗设备的数量q ≥ 2，正和负半波的第一部分可以是第（1+q·(N-1)·Z）个全波的半波，正和负半波的第二部分可以是第（Z+1+q·(N-1)·Z）个全波的半波，并且

正和负半波的第q部分可以是第（(q-1)·Z+1+q·(N-1)·Z）个全波的半波，

其中N是大于零的整数并且Z是对于消耗设备的后续全波的数量。

例如，对于确切两个消耗设备的第一个，其中每个消耗设备一个相应的转换全波，第一、第三、第五、第七等全波被驱动，其中第二、第四、第六、第八等全波对于第二消耗设备而转换。如果存在确切两个消耗设备和两个相应的全波，第一和第二、第五和第六等全波对于第一消耗设备并且第三和第四、第七和第八等全波对于第二消耗设备而驱动。

如果存在确切三个消耗设备和一个全波，例如，第一、第四、第七等全波对于第一消耗设备，第二、第五、第八等全波对于第二消耗设备以及第三、第六、第九等全波对于第三消耗设备可以被驱动。如果存在确切三个消耗设备和两个相应的全波，第一和第二、第七和第八等全波对于第一消耗设备可以被驱动，第三和第四、第九和第十等全波对于第二消耗设备以及第五和第六、第十一和第十二全波对于第三消耗设备可以被驱动。

本发明还涉及适合于实行上文描述的本发明的一般概念的装置。在该情况下，该装置特别地包括对于第一和第二（或两个以上）消耗设备的第一和第二前沿相位角控制部件（或两个以上的前沿相位角控制部件）。第一前沿相位角控制部件适合于对于第一消耗设备驱动正和负半波的第一部分，并且第二前沿相位角控制部件适合于对于第二消耗设备驱动正和负半波的第二部分。例如，如果为上文描述的操作模式提供第一前沿相位角或第一后沿相位角，前沿相位角控制部件适合于以第二前沿相位角或以第二后沿相位角来驱动半波。

例如，半波的第一部分可以是正半波并且半波的第二部分可以是负半波。

根据这样的实施例，本发明还可以涉及用于以至少90°的第一前沿相位角操作AC网络中的电消耗设备的装置，特别地用于实行上文和/或下文限定的方法中的一个的装置。该装置可以包括对于第一和第二（电）消耗设备的第一和第二前沿相位角控制部件，其中该第一前沿相位角控制部件适合于对于第一消耗设备关断负半波，并且其中第二前沿相位角控制部件适合于对于第二消耗设备关断正半波。前沿相位角控制部件此外优选地适合于以第二前沿相位角对第一消耗设备驱动正半波并且对第二消耗设备驱动负半波。

根据实施例，装置可以适合于对于数量q ≥ 2的消耗设备而驱动，作为正和负半波的第一部分（第（1+q·(N-1)·Z）个全波的半波）而驱动，

作为正和负半波的第二部分（第（Z+1+q·(N-1)·Z）个全波的半波）而驱动，并且

作为正和负半波的第q部分（第（(q-1)·Z+1+q·(N-1)·Z）个全波的半波）而驱动，

其中N是大于零的整数并且Z是对于消耗设备的后续全波的数量。

根据实施例，电消耗设备包括灯，例如对于用于生产薄膜太阳能电池的加热过程的IR辐射器。

前沿相位角控制部件可以采用在交流零交叉后电流不流过消耗设备直到控制部件接收触发脉冲这样的方式控制AC网络中的电流。在特定前沿相位角可以指派到的该AC信号相位中，连接的消耗设备供应有电流直到下一个零交叉。从零交叉直到触发脉冲的持续时间称为前沿相位转换，其中功率随着持续时间增加（更小的前沿相位转换，例如在0%与50%之间，和更大的前沿相位角，例如180°和90°）而减小。也就是说，如果前沿相位转换是100%，触发脉冲未延迟（0°的前沿相位角），而0%的前沿相位转换对应于最大延迟直到零交叉（180°的前沿相位角）。

根据本发明的实施例，网络电流的负和正（正弦）半波对于第一和第二消耗设备关断，并且后者以第二前沿相位角来驱动，该第二前沿相位角对于消耗设备本身是相等的但与在半波未被关断的情况下使用的不同。从而可能维持两个消耗设备的功率，尽管与其中半波未被关断的情况相比特定半波被关断也如此。此外，通过关断特定半波，可以防止由第一和第二消耗设备的负载的结构重叠。

根据方法和装置的实施例，第二前沿相位角（在对于消耗设备仅存在正或仅负半波的情况下）小于第一前沿相位角（在对每个消耗设备使用正和负半波时）。通过关断特定半波，第二前沿相位转换可以相对于用于实现相同功率的第一前沿相位转换缩短（如与其中半波未被关断的情况相比）。

从而，使具有关断的半波的功率适应于没有关断的半波的功率，这是可能的，特别地，半波的关断可以采用该方式来补偿。

根据方法和装置的实施例，第一前沿相位转换是第二前沿相位转换的大小的两倍。前沿相位转换越大，直到消耗设备可以供应有能量的延迟越长并且功率越低。为了补偿由关断半波引起的功率损耗，例如，直到电流的延迟（即前沿相位转换）可以减少到用于驱动非关断半波的一半。

根据实施例，消耗设备可以同步，优选地通过上文描述的装置，使得被控制的正和负半波未在结构上和/或破坏性地叠加。从而可能避免增加对于当前网络的负载幅度（甚至不是部分地）。

根据实施例，上文描述的方法步骤代表第二操作模式，其中一个消耗设备使用仅正或仅负半波并且另一个消耗设备仅使用另一个（或仅负或仅正）半波。此外，方法可以从第二转换到第一操作模式（特别地，自动地）。在第一操作模式中，每个消耗设备使用正和负半波两者。从第二到第一操作模式的转换在任何时间是可能的，但如果在第二操作模式中需要负载范围的进一步增加同时使前沿相位角减少到0°则它变得必要。

从而，电消耗设备可以采用正和负半波对于第一和第二消耗设备两者驱动这样的方式以第一操作模式操作。在该第二操作模式中从而没有特定半波的关断，使得两个操作模式的组合提供增加的功率控制范围。

上文提到的根据本发明的装置和它的实施例因此也可以适应于实行该第一操作模式。此外，部件可以对于第一与第二操作模式之间和/或反之亦然的转换而提供，使得它从第一操作模式（其中两个消耗设备都使用两个半波并且确定前沿相位角处于180°至90°的范围内，优选地在小于180°至大于90°的范围内）转换到第二操作模式，其中一个消耗设备仅使用一个半波并且另一个消耗设备仅使用另一个半波，并且其中前沿相位角在转换期间减少使得对于相应消耗设备的半波的省略被功率补偿和/或使得它从第二操作模式（其中确定前沿相位角是近似0°或等于0°）转换到第一操作模式，并且其中前沿相位角在转换期间增加使得对于两个消耗设备的半波的增加被功率补偿。

根据本发明，还可以使用超过两个的消耗设备。在该情况下，消耗设备被划分，例如划分成两个消耗设备组，其的网络负载可以尽可能相等或近似相等。这两个消耗设备组然后可以采用与在上文根据本发明描述的两个消耗设备相同的方式操作。

本发明的原理因此可以连同后沿相位控制一起使用，其中电流在零交叉与触发脉冲之间流动。

附图说明

在下面，本发明将参照附图更详细地说明。

图1示出示范性电路的示意图示，

图2（a）示出利用35%的第一前沿相位转换的由第一消耗设备的网络负载，

图2（b）示出利用35%的第一前沿相位转换的由第二消耗设备的网络负载，

图2（c）示出由图2（a）和图2（b）的两个消耗设备的总网络负载，

图3（a）示出在关断负半波的情况下利用70%的前沿相位角转换的由第一消耗设备的网络负载，

图3（b）示出在关断正半波的情况下利用70%的前沿相位角转换的由第二消耗设备的网络负载，

图3（c）示出由图3（a）和图3（b）的两个消耗设备的总网络负载，

图4示出与图2（c）的总网络负载相比图3（c）的总网络负载，

图5示出与利用20%的前沿相位转换以及在没有关断相应半波的情况下由两个消耗设备的总网络负载相比，在分别关断负和正半波的情况下利用40%的前沿相位转换的由两个消耗设备的总网络负载，

图6示出与利用49%的前沿相位转换以及在没有关断相应半波的情况下由两个消耗设备的总网络负载相比，在分别关断负和正半波的情况下利用98%的前沿相位转换的由两个消耗设备的总网络负载，

图7示出对于根据图2（c）的35%的前沿相位转换和对于根据图3（c）的在关断半波情况下70%的前沿相位转换的来自傅立叶变换的谐波的幅度的比率。

具体实施方式

图1示出对于具有两个负载或消耗设备11、12和用于控制电流的两个前沿相位角控制部件（致动器）21、22的装置和AC网络1的示范性电路。在AC电流的零交叉后，前沿相位角控制部件使电流延迟并且在特定前沿相位角的情况下使它接通（“控制”或“驱动”），使得电流流动直到下一个零交叉。控制电路2执行控制或驱动操作。对于电流的延迟的持续时间的（反向）度量是前沿相位转换，它在小的前沿相位角的情况下是大的并且在大的前沿相位角的情况下是小的。消耗设备11、12并联连接并且可以由AC网络1驱动。第一消耗设备11由第一前沿相位角控制部件21驱动，而第二前沿相位角控制部件22驱动第二消耗设备12。前沿相位角控制部件21、22可以通过使用控制电路2而分别对于第一和第二消耗设备11、12关断网络相位的负和正半波，并且它们优选地被配置使得它们以相同的前沿相位角驱动非关断的半波。

例如，在负载操作期间，消耗设备11、12（例如灯，例如对于用于生产薄膜太阳能电池的加热过程的IR辐射器）应该以至少90°的第一前沿相位角来驱动。在该连接中，根据本发明建议，装置（特别地，例如第一前沿相位角控制部件21对于第一消耗设备11关断负半波并且以不同（第二）的前沿相位角控制未被关断的正半波，该不同（第二）的前沿相位角优选地小于第一前沿相位角，特别地是第一前沿相位角的大小的一半。对于第二消耗设备12，装置（例如，第二前沿相位角控制部件22）关断网络相位的正半波并且以第二前沿相位角（特别地以与如连同第一消耗设备11描述的相同的前沿相位角）控制剩余的未关断的负半波。

因为－在具有相等功率输出的情况下－第二前沿相位角在关断半波时比在对两个消耗设备使用两个半波时的第一前沿相位角要小，从而可以避免由消耗设备11、12的网络负载在结构上叠加，并且谐波可以减少并且从而无功功率因此可以被防止。

在下面，在关断的半波的情况下和在没有关断的半波的情况下特定前沿相位转换操作的示例互相比较。

图2（a）和图2（b）示出在没有关断半波的情况下利用35%的前沿相位转换的由第一和第二消耗设备的网络负载。图2（c）示出由这两个消耗设备的总负载，其从图2（a）和图2（b）的曲线的叠加产生。总网络负载的幅度从而在两个消耗设备的曲线在结构上叠加的情况下加倍。

图3（a）示出利用70%的前沿相位转换的由第一消耗设备的网络负载，其中负半波已经关断。与35%的前沿相位角（其对应于图2（a）的曲线的形状）相比，加倍的前沿相位转换已经被控制用于实现相同的功率。

与图3（a）类似，图3（b）示出利用70%的前沿相位转换的由第二消耗设备的网络负载。与图3（a）相比之下，正半波（HW）已经被关断，使得具有与在图3（a）中的相同加倍的百分比（即70%）的仅负半波（HW）被控制。

当观看图3（a）和图3（b）的两个曲线的总负载时，两个消耗设备的网络负载未在结构上叠加，这是明显的，参见图3（c）。

图2（c）（在没有关断半波的情况下）的总网络负载与图3（c）（在关断半波以及加倍的前沿相位转换的情况下）的总网络负载的比较在图4中示出网络负载幅度以及当前曲线形状与正弦形状的偏差－在相同功率的情况下－在半波未被关断的情况下要明显大于在对应的半波被关断的情况下的。

图5示出由两个消耗设备的总网络负载的幅度减少的另外的示例。曲线“致动器1+致动器2”示出利用20%的前沿相位转换的由两个消耗设备的负载，其中曲线“致动器1+2（两个HW）”示出在关断的负和正半波情况下以及利用40%的前沿相位转换的由两个消耗设备的负载。在这里，幅度以及当前曲线与正弦形状的偏差在关断的半波的情况下以及利用更大的前沿相位转换（并且从而具有与在其中半波未被关断的情况下的相同的功率）比在没有关断的情况下的要小，这也是显而易见的。

图6示出与在关断的负和正半波情况下利用98%的前沿相位转换的由两个消耗设备的总网络负载相比利用49%的前沿相位转换的由两个消耗设备的总网络负载的对应结果。

图7示出通过傅立叶变换的谐波。基于根据图2（c）的35%的前沿相位转换和在根据图3（c）的关断的半波的情况下70%的前沿相位转换的示例，谐波的幅度的比率实际上在关断的负和正半波以及前沿相位转换放大的情况下更小，这是明显的。

从而也可能在具有由前沿相位转换控制的高负载电流的系统的情况下减少供应网络的负载。上文描述的谐波的减少可以防止无功功率，使得上文的方法和/或对应装置的使用可导致与无功功率补偿系统的实现以及从而与能量成本有关的可能的巨大节省。