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Die Erfindung betrifft eine Stromrichterschaltung für bidirektionalen Energiefluss entweder aus einem Gleichstromkreis in dreiphasige Wechselstromkreise oder umgekehrt, unter Verwendung einer aus sechs gesteuerten elektronischen Schaltern bestehenden Stromrichterbrücke.
Eine bekannte Stromrichterschaltung mit einem Energiefluss aus einem Dreiphasen-Wechselstromnetz (WN) in ein Gleichstromnetz (GN) ist in Fig. 1 dargestellt. Das Wechselstromnetz (WN) ist symbolisiert durch die drei Wicklungen eines Dreiphasengenerators. Die abgegriffene Ausgangsgleichspannung (U) wird mit einem Sollwert (SW) verglichen und die Regelabweichung einem Regler (RG) zugeführt, der seinerseits einen StromSollwertgeber (SSG) beeinflusst. Der letztere erhält über einen Frequenz-Eingang (FE) eine Wechselspannung vorgegebener Frequenz, z.
B. von 50 Hz aufgeprägt, die innerhalb des Strom-Sollwertgebers (SSG) in drei um je 1200 phasenverschobene Teilspannungen umgewandelt wird, deren Amplituden durch den Regler (RG) bestimmt werden und die selbst als den einzelnen Phasen zugeordnete Strom-Sollwerte (JSR9 Jgg JST) dienen, welche in zugeordneten Vergleichseinrichtungen (VR...)'von denen nur die der Phase (R) angehörende dargestellt ist, mit den entsprechenden Strom-Istwerten (JR...) des Wechselspannungsnetzes (won) verglichen werden die mit Hilfe von z. B. Stromwandlem gewonnen werden.
Die Differenz zwischen dem Sollwert (jar) und dem Istwert (JR) der Phase (R) wird durch einen Differenzstrom (JDR) abgebildet, dessen Wert einen Hys e- seregler (UR) beeinflusst In entsprechender Weise sind auch für die zwei anderen Phasen (S und T) Verglelchseimichtungen und Hystereseregler vorgesehen, die jedoch nicht dargestellt sind. Zur Umsetzung der Wechselströme des speisenden Netzes (WN) in Gleichstrom dient eine aus sechs Transistoren (TS 3) gebildete Stromrichterbrücke, die aus dem Wechselstromnetz über für alle Phasen einheitlich mit (L) bezeichnete Induktivitäten gespeist wird.
Die der Phase (R) zugeordneten Transistoren (Tl und T'l) sind mit ihren Basen an zwei gegensinnig wirkende Ausgänge des Hysteresereglers (HR) angeschlossen und werden demgemäss
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gleichgesetzt werden. Die Induktivität (L) und der Kondensator (C) dienen zur Begrenzung der schalt & eqnentem Energiependelungen im Wechselstromnetz (WN) bzw. im Gleichstromnetz (GN).
Bei dieser bekannten Stromrichterschaltung gemäss Fig. 1 ist für jede Phase des Wechselstromnetzes ein eigener Stromregler vorhanden und diese arbeiten unabhängig voneinander, wobei die Sinusform der einzelnen Ströme, bedingt durch die gegebene Zweipunktregelung, über breitenmodulierte Steuerimpulse angenähert wird. Zufolge der Unabhängigkeit der Schaltvorgänge in den einzelnen Stromregler (her...) ergibt sich eine grosse Häufigkeit von Schaltvorgängen, die einen hohen Oberwellengehalt und damit unnützss Energieverluste verursacht.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, diese Nachteile bekannter Schaltungen mit phasenweise getrennten Stromregelungen zu vermeiden und erzielt dies dadurch, dass zur Betätigung der elektronischen Schalter ein selbsttätig arbeitendes Folgesteuergerät vorgesehen ist, das Messeingänge für die einzelnen Phasenspannungen, weiters für die einzelnen Phasenstrom-Regelabweichungen und gegebenenfalls für die Differenzwert der Phasenspannungen, so wie schliesslich einen Dateneingang für eine den jeweiligen Stromrichterschaltzustand charakterisierende Kennzahl aufweist und dass im Folgesteuergerät der jeweilige,
durch die Kennzahl repräsentierte Betriebszustand mit den Momentanwerten der den Messeingängen zugeführten zustands- und sollwertabhängigen Messwerte verglichen wird und bei Überschreiten eines vorgegebenen Toleranzbereiches mittels eines als elektronische Schalttabelle ausgebildeten Speichers, der jeder Kennzahl unter Berücksichtigung aller eingegebenen Momentanwerte eine Folge-Kennzahl eindeutig zuordnet, den der jeweils aktuellen Folge-Kennzahl entsprechenden Stromrichterzustand herstellt
Der wesentliche Vorteil der Erfindung gegenüber dem oben angeführten Stand der Technik besteht darin, dass die Stromregelung nicht für jede Phase einzeln erfolgt, sondern die Stromflüsse in allen Phasen mit Hilfe des Folgesteuergerätes zugleich beeinflusst. Wesentlich ist hierbei der Einsatz der elektronischen Schalttabelle,
die aus den jeweils gegebenen Daten erkennt, welcher von den unter den gegebenen Verhältnissen möglichen Schaltzuständen die Aussicht auf die längste Lebensdauer" hat, soferne sich die Betriebsbedingungen nicht plötzlich ändern. Dadurch wird die Häufigkeit von Änderungen der Schaltzustände stark reduziert, was sich sowohl als energiesparend als auch als materialschonend erweist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Gesamtschaltbild in Fig. 2 der Zeichnung dargestellt, während Fig. 3 den Aufbau des Folgesteuergerätes zeigt.
Die erfindungsgemässe Stromrichterschaltung ist in Fig. 2 insoferne vereinfacht dargestellt, als die für die Stromrichtung vorgesehenen Transistorenpaare samt Freilaufdioden nur durch Umschalter (UM1, UM2 und UM3) symbolisiert sind, die mit ihren Wurzeln an die drei Phasenleitungen eines DreiphasenWechselstromkreises (WK) angeschlossen und mit ihren freien Enden entweder an die positive oder an die negative Leitung eines Gleichstromkreises (GK) anschliessbar sind. Die Schaltzustände der Umschalter
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"0" charakterisiert"Schaltzustands-Kennzahlen"K. (i = 1 - 8) bezeichnet werden. Zur Betätigung der Umschalter (UMI...
UM3) dienen zugeordnete Betätigungsschaltungen (B l... B3), die einerseits von einem Folgesteuergerät (FG) aus
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und hergestellt werden, der den Toleranzbedingungen wieder entspricht.
Wenn nun ein Schaltzustand zufolge der nicht mehr einhaltbaren Toleranzbedingungen aufgehoben und durch einen neuen Schaltzustand ersetzt werden muss, so ergeben sich für einen neuen Schaltzustand noch mehrere Möglichkeiten. Da insgesamt nur 8 verschiedene Schaltzustände möglich sind, kommen zunächst nach dem nicht mehr aufrechthaltbaren nur mehr 7 andere in Frage. Von diesen werden z. B. im Durchschnitt etwa die Hälfte zu Phasenströmen Anlass geben, die ebenfalls ausserhalb des Toleranzbereichs liegen, so dass in der Praxis jedem nicht mehr zulässigen Schaltzustand höchstens drei bis vier mögliche Schaltzustände nachfolgen können.
Diese drei bis vier möglichen Schaltzustände sind aber untereinander nicht gleichwertig, denn nicht alle haben unter den jeweils gegebenen Verhältnissen, d. h. bei den jeweiligen Phasenspannungen (Ul, U2, UD sowie bei den jeweiligen Phasenstrom-Regelabweichungen (Sollwerte minus Istwerte) (Jl-Jl) ; (J2-J2) ; (J3-J3) unterschiedliche "Lebensdauern", denn bei manchen Schaltzuständen ist voraussehbar, dass sie sehr bald erneut durch einen anderen Schaltzustand ersetzt werden müssen.
Diese Umstände macht sich die Erfindung zunutze, indem sie allen möglichen Kombinationen von Phasenspannungen und Phasenstrom-Regelabweichungen ausgehend vom jeweils nicht mehr zulässigen Schaltzustand aufgrund einer vorgegebenen, mittels eines Rechners gewonnenen Schalttabelle die Kennzahl K, jenes Schaltzustandes ermittelt, dem unter eben diesen gegebenen Bedingungen die längste Lebensdauer beschieden ist
Diese Schalttabelle ist in dem Folgesteuergerät (FG) enthalten, dessen Aufbau schematisch in Fig. 3
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J2, J3) der Phasenströme, wobei alle diese Eingänge die entsprechenden Bezeichnungen der betreffenden Grössen tragen. Die Eingänge für die Phasenspannungen (Ul, U2 und U3) sind über drei Diskriminatoren (VI, V2 bzs.
V3) sowie über eine gemeinsame Torschaltung (TS1) an drei für die Spannungsinformation vorgesehene Eingänge der Schalttabelle (STB) angeschlossen. Die Eingänge für die Sollwerte 1, J2 und J3) der Phasenströme sind zusammen mit den Eingängen für die Istwerte (jl, J2 bzw. J3) der Phasenströme an je drei differenzbildende Glieder (DGI, DG2 bzw. DG3) geschaltet, deren Ausgangswerte (PhasenstromRegelabweichungen) (Jl-Jl), (J2-J2) bzw. (J3 - J3) je zwei zugeordneten Diskriminatoren (Schmitt- Trigger) (SWI und SW'l ; SW2 und SW'2 bzw. SW3 und SW'3) zugeführt werden. Die Schnellwerte dieser Schwellwertverstärker bestimmen die oberen bzw. unteren Schwellwerte für die PhasenstromRegelabweichungen.
Die Ausgangssignale dieser Schwellwertverstärker werden einzeln über eine weitere, gemeinsam betätigte Torschaltung (TS2) den für die Informationen über die Phasenstrom-Regelabweichungen vorgesehenen Eingängen der Schalttabelle (STB) zugeführt.
Mit (ZE) sind zusätzliche Eingänge der Schalttabelle angedeutet, die für den Fall einer erhöhten Regelgenauigkeit mit Informationen versehen werden, die in
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Ein weiterer Zusatzeingang kann dazu verwendet werden, die Entscheidungsstrategie der Schalttabelle (STB) zu ändern (z. B. geänderten Spannungsverhältnissen anzupassen).
Schliesslich sind an der Schalttabelle (STB) noch drei weitere Eingänge (KE) vorgesehen, die den aktuellen Schaltzustand Ki der Stromrichterschaltung abbilden, aus dem sich unter Beziehung aller anderen bereits erwähnten Eingangsinformationen der zukünftige Schaltzustand gemäss den in der Schalttabelle STB in Form von dreistelligen Binärzahlen gespeicherten Tabellenwerten ergibt. Die Informationen über den aktuellen Schaltzustand werden von den Betätigungsschaltungen (bol, B2 und B3) bezogen.
Den Ausgang (KA) der Schalttabelle (STB) bilden drei Leitungen, die über eine dritte Torschaltung (TS3) an die Betätigungsschaltungen (bol, B2 und B3) anschliessbar sind und über die die den jeweils nächsten Schaltzustand charakterisierende dreistellige Binärzahl Ki nach Durchschaltung der Torschaltung (TS3) ausgegeben wird.
Mit (TG) ist ein Taktgeber für die Betätigung der Torschaltungen (TS1, TS2 und TS3) bezeichnet, der mit einer Abtastfrequenz von etwa 1 bis 2 MHz die Eingangszustände abtastet, während die Frequenz der Änderungen der Schaltzustände etwa 1 bis 10 kHz beträgt. Die drei Torschaltungen verhindern Änderungen der Eingangsgrössen während die Ausgangsgrösse ermittelt wird und verhindern dadurch die Ausgabe von fehlerhaften Informationen. Wird von der Schalttabelle (STB) ein neuer Schaltzustand ausgegeben, löst ihr Ausgang (SA) eine vorübergehende Sperre des Taktgenerators (TG) aus. Die minimale Sperrzeit ist dabei durch die
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Reaktionszeit der Stromrichterschaltung gegeben. Die Torschaltung (TS3) trennt überdies die Informationen über den aktuellen und über den zukünftigen Schaltzustand.
Die erfindungsgemässe Stromrichterschaltung ist für jede Art der Sollwerteingabe geeignet, die symbolisch durch den Eingang (E) am Strom-Sollwertgeber (SSG) in Fig. 2 angedeutet ist. Demgemäss kann der Sollwertgeber bei Wechselstrommaschinenbetrieb beispielsweise als Drehzahlregler mit Eingabe der Solldrehzahl am Eingang (E) oder als Positionsregler eingesetzt werden. In anderen Fällen kann aber auch das Antriebsmoment vorgegeben werden.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit für die erfindungsgemässe Stromrichterschaltung ist die Speisung eines Gleichstromkreises (etwa als Netzgerät") aus einem Wechselstromnetz, wobei dieser Gleichstromkreis auch als Zwischenkreis für eine nachträgliche Rückumsetzung zur Speisung eines weiteren Wechselstromnetzes, mit anderer Netzfrequenz dienen kann und die erfindungsgemässe Anordnung als Zwischenkreisspannungsregler wirkt
Schliesslich kann die erfindungsgemässe Stromrichterschaltung auch zur Blindleistungskompensation herangezogen werden, wenn die Sollwertvorgabe im Sinne einer Verlustwinkelregelung ausgelegt ist.