AT404527B - Aktive netzspannungsfilterung mit vorgebbarer innerer impedanz - Google Patents

Description

AT 404 527 B

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer rein sinusförmigen Prüfwechselspannung mit vorgebbarer innerer Impedanz aus der verzerrten, oberschwingungsbehafteten Spannung eines Stromversorgungssystems wie sie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschrieben ist.

Nach dem derzeitigen Stand der Technik wird bei normgerechter Prüfung des Netzverhaltens elektrischer, insbesondere leistungselektronischer Verbrauchseinrichtungen zur Erzeugung der (ideal) sinusförmigen Speisespannung ein Leistungsverstärker verwendet. Dies deshalb, da die Spannung des öffentlichen Niederspannungsnetzes im allgemeinen einen unzulässig hoben Oberschwingungsgehalt aufweist und die innere Impedanz des Anschlußpunktes nicht den Normbedingungen entspricht. Hiebei wird die gesamte, vom Prüfling aufgenommene Leistung durch den Verstärker umgeformt, womit eine hohe Bauleistung des Verstärkers und demgemäß hohe Kosten der Prüfeinrichtung resultieren bzw. bei hohen Ausgangsleistungen aufgrund des hohen Gewichtes nur eine begrenzte Transportabilität gegeben ist.

Sollen prinzipbedingte Verluste vermieden werden, können zur Erhöhung der Qualität der Netzspannung entsprechend der US-PS-4906860 und der WO-A1-94/05067 nach dem Prinzip der Parallelkompensation arbeitende aktive Filter herangezogen werden. Es wird dabei der, letzlich die Verzerrung der Spannung des Niederspannungsnetzes verursachende oberschwingungsbehaftete Eingangsstrom nichtlinear Verbraucher durch, den Verbrauchern parallel geschaltete Stromrichtersysteme (aktive Filter) zu einem rein grundfrequenten Netzstrom ergänzt, womit Netzrückwirkungen vermieden werden. Der Sollwert der Stromaufnahme der aktiven Filter wird von den Amplituden der Spannungsoberschwingungen abgeleitet (cf. WO-A1-94/05067) , was (ideal) einem niederohmigen Abschluß bzw. ideal Kurzschluß der Oberschwingungsspannungen durch die Filtereinheiten entspricht oder, wie in der US-PS-4906860 beschrieben, als Differenz zwischen Grundschwingungsanteil eines Verbraucherstromes und Iststromverlauf erhalten.

Als Nachteile dieses Konzeptes sind a) der hohe systemtechnische Aufwand - es ist ja um für einen kritischen Verbraucher eine Speisespannung hoher Qualität zu erreichen (theoretisch) die Oberschwingungsstromaufnahme sämtlicher Verbraucher eines Netzes zu kompensieren- und b) die fehlende Möglichkeit einer direkten Definition der inneren Impedanz der Speisespannung für einen spezifischen Verbraucher zu nennen.

Aufgabe der Erfindung ist daher, eine Vorrichtung zur Erzeugung einer normgerechten Prüfspannung mit geringer, nicht direkt an die Leistungsaufnahme des Prüflings oder anderer Verbraucher gebundener Bauleistung und der Möglichkeit einer direkten Vorgabe der inneren Impedanz der Prüfspannung zu schaffen.

Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 erreicht. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Erfindungsgemäß wird zur Erzeugung einer sinusförmigen Prüfspannung ein, in Serie zu einer verzerrten, nicht normgerechten Quellenspannung liegendes, als Spannungszwischenkreisumrichter ausgeführtes aktives Filter herangezogen. Die Stromversorgung bzw. Bildung der Zwischenkreisspannung des erfolgt über eine Gleichrichterstufe aus der verzerrten Quellenspannung. Durch eine, die Zwischenkreisspannung über entsprechende Ansteuerung der Gleichrichterstufe regelnde Steuereinheit wird dabei auch der Sollwert der Prüfspannung entsprechend der, über externe Einstellvorrichtungen vorgegebenen Parameterwerte gebildet, wobei durch Einbeziehung der Stromaufnahme des Prüflings in die Bildung des Sollwertes vorteilhaft eine Stromabhängigkeit der Prüfspannung bzw. eine definierte innere Impedanz der Prüfspannung vorgegeben werden kann. Durch die Steuereinheit wird auch die Differenz zwischen Prüfspannungssollwert und Quellenspannung erfaßt und durch entsprechende Ansteuerung einer aus dem Zwischenkreis gespeisten Wechselrichterstufe eine, dieser Differenz entsprechende Korrekturspannung zur Spannung der Quelle addiert, womit unabhängig von den Verzerrungen der Quellenspannung z.B. ein rein sinusförmiger Verlauf der Prüfspannung sichergestellt wird.

Die Vorrichtung kann grundsätzlich einphasig - oder über entsprechende Kombination von drei einphasigen Teilsystemen auch dreiphasig ausgeführt werden. Allerdings ist bei dreiphasiger Realisierung eine, allen Teilsystemen gemeinsame, die Symmetrie der erzeugten dreiphasigen Prüfspannung sicherstellende Steuereinheit vorzusehen.

Liegt, wie z.B. bei Anschluß der Vorrichtung an das öffentliche Niederspannungsnetz, ein weitgehend sinusförmiger Verlauf der Quellenspannung vor, bleibt die durch das Filter eingekoppelte Korrekturspannung auf einen Bruchteil der Ausgangsspannung beschränkt, womit, auch bei hoher Leistung des Prüflings bzw. bei hoher Durchgangsleistung, vorteilhaft eine nur geringe Bauleistung der Korrekturvorrichtung vorzusehen ist.

Eine Ausführungsvariante des Leistungsteiles der Wechselrichterstufe des erfindungsgemäßen aktiven Filters beschreibt der Kennzeichenteil des Patentanspruches.

Die, durch die, eingangsseitig an der, durch die Gleichrichterstufe aus der Quellenspannung gebildeten Zwischenkreisspannung liegende Wechselrichterstufe erzeugte Korrekturspannung tritt dabei über dem 2

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Ausgangskondensator eines, zwischen dem, aufgrund der Ausbildung des Zwischenkreises als Serienschaltung von zwei elektrischen Energiespeichern (vorteilhaft Kondensatoren) zugänglichen Mittelpunkt der Zwischenkreisspannung und dem Wurzelpunkt einer, gleichspannungsseitig an Zwischenkreisspannung liegenden elektronischen Schaltvorrichtung (z.B. einer Zweipunkt- oder Dreipunkt- Halbbrückenschaltung abschaltbarer elektronischer Schalter) angeordneten, im einfachsten Fall als LC-Tiefpaß ausgeführten (passiven) Filters auf, wobei die, dem zwischenkreisseitgen Anschluß abgewandte zweite Klemme des Tiefpaß-Filterkondensators direkt an eine Ausgangsklemme der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelegt wird. Das Tiefpaßfilter dient der Glättung der, von der elektronischen Schaltvorrichtung erzeugten, pulsbreitenmodulierten Rechteckspannung, deren Tastverhältnis bzw. Mittelwert über eine Pulsperiode durch den Sollwert der zu erzeugenden Korrekturspannung definiert wird, wobei dieser Sollwert durch die Steuereinrichtung des Systems in bekannter Weise in Ansteuerbefehle der Schaltelemente der Schaltvorrichtung umgeformt wird. Durch direkte Verbindung einer Klemme der Quellenspannung und des Zwischenkreispannungsmittel-punktes und der zweiten Klemme der Quellenspannung mit der noch freien Ausgangsklemme wird an der Ausgangsseite der Vorrichtung eine Addition der Quellenspannung und der Korrekturspannung erreicht, womit über dem, an die Ausgangsklemmen geschalteten Prüfling eine z.B. rein sinusförmige Prüfspannung auftritt.

Eine Verringerung des Glättungsaufwandes im Wechselrichterteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird durch Ausbildung dieses Schaltungsteiles nach Patentanspruch 3 ermöglicht.

Hiebei wird die Glättungsinduktivität des, wie bereits beschrieben, zwischen Wurzelpunkt der, im gegenständlichen Fall als Zweipunkt-Halbbrückenzweig ausgebildeten elektronischen Schaltvorrichtung und Zwischenkreismittelpunkt angeordneten LC-Tiefpaßfilters in den Brückenzweig integriert und vom Wurzelpunkt ausgehend zu gleichen Teilen zwischen positiver und negativer Brückenhälfte aufgeteilt, wobei die Freilaufdioden von der negativen Zwischenkreisspannungsschiene nach der, dem Wurzelpunkt abgewandten Klemme der, in der positiven Brückenhälfte liegenen Glättungs-Teilinduktivität und von der, dem Wurzelpunkt abgewandten Klemme der, in der negativen Brückenhälfte liegenden Glättungsteilinduktivität gegen die positive Zwischenkreisspannungsschiene geschaltet werden.

Die, durch die Glättungsinduktivitäten entkoppelten, abschaltbaren Leistungshalbleiter des Brückenzweiges werden nun durch, um eine halbe Pulsperiode versetzte Steuersignale getaktet, womit sich, unter der Voraussetzung, daß über eine entsprechende Steuerung in beiden Teilinduktivitäten ein kontinuierlicher Stromfluß sichergestellt wird, eine fiktive Verdopplung der Pulsfrequenz bzw. eine Verdopplung der Frequenz und Verringerung der Amplitude des, durch den Glättungskondensator zu filternden Stromrippels ergibt, was bei gegebenem Ausgangsspannungsrippel gegenüber konventioneller Ausführung eine Verringerung des Kapazitätswertes des Glättungsgliedes erlaubt.

Ein weiterer Vorteil dieser Anordung besteht darin, daß die, z.B. bei Ausführung der Schaltelemente der elektronischen Schaltvorrichtung als Leistungs-MOSFETs technologiebedingt dem Leistungstransistor intern antiparallel liegenden Dioden hoher Sperrverzugszeit nicht als Freilaufdioden verwendet werden, womit die auftretenden Schaltverluste wie auch der Beschaltungsaufwand verringert und demgemäß die Taktfrequenz der elektronischen Schaltvorrichtung erhöht werden kann.

Eine Ausführungsvariante des Gleichrichterteiles der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird durch den Kennzeichenteil des Patentanspruches 4 beschrieben.

Die Sekundärspannung eines, primärseitig an den Eingangsklemmen der Vorrichtung liegenden Transformators wird dabei in eine, durch die, den Zwischenkreis bildende Serienschaltung elektrischer Energiespeicher gestützte Zwischenkreisgleichspannung umgeformt, wobei eine Klemme der Sekundärwicklung direkt mit dem kapazitiven Mittelpunkt der gebildeten Gleichspannung und einer Eingangsklemme der Vorrichtung (und damit auch einer Klemme der Trafo-Primärwicklung) verbunden ist und die zweite Klemme der Sekundärwicklung über eine Vorschaltinduktivität an den Wurzelpunkt einer, gleichspannungsseitig an der Zwischenkreisspannung liegenden elektronischen Schaitvorrichtung (vorteilhaft eines mittels abschaltbarer elektronischer Schalter realisierten Zweipunkt· oder Dreipunkt-Halbbrückenzweiges) geführt ist.

Durch den, aufgrund der beschriebenen galvanischen Verbindung einer Klemme der Sekundär- und der Primärwicklung vorteilhaft auch in Sparschaltung ausführbaren Transformator wird eine Grobanpassung der Quellenspannung und der Zwischenkreisspannung ermöglicht. Von der konkreten Ausführung des Transformators unabhängig kann dabei die, von der Sekundärwicklung gegen den Wurzelpunkt der elektronischen Schaltvorrichtung geschaltete Induktivität über entsprechende Wahl der magnetischen Kopplung der Wicklungen bzw. Wicklungsteile in Form einer Streuinduktivität vorteilhaft in den Transformator integriert werden.

Durch die elektronische Schaltvorrichtung der Gleichrichterstufe wird, ähnlich wie bereits für die Wechselrichterstufe beschrieben, zwischen dem Mittelpunkt der Zwischenkreisspannung und dem Wurzelpunkt der Schaltvorrichtung eine pulsbreitenmodulierte Rechteckspannung mit, im vorliegenden Fall allerdings netzfrequent sinusförmigem, auf die Netzspannung synchronisiertem Verlauf des (auf eine Pulsperio- 3

AT 404 527 B de bezogenen) Mittelwertes gebildet. Oie Differenz dieser Spannung und der Spannung der. einseitig mit dem Zwischenkreisspannungsmittelpunkt verbundenen Sekundärwicklung tritt über der Vorschaltinduktivität auf und definiert demgemäß die Stromaufnahme und damit letztlich die Zwischenkreisspannung der Gleichrichtereinheit. Bei näherungsweise sinusförmigem Verlauf des Mittelwertes der Differenzspannung wird dabei aufgrund der Tiefpaßwirkung der Induktivität bezüglich schaltfrequenter Oberschwingungen der Wurzelpunktsspannung eine, hinsichtlich der Oberschwingungsbelastung der Quellenspannung vorteilhafte, näherungsweise sinusförmige, durch entsprechende Steuerung der Pulsbreitenmodulation in Amplitude und Phase vorgebbare Stromaufnahme erreicht. Insbesondere ist dabei auch die Möglichkeit einer Rückspeisung von Energie (z.B. erforderlich bei Simulation eines ohmschen Innenwiderstandes der erzeugten Prüfspannung) aus dem Zwischenkreis in den Sekundärkreis des Transformators und damit in die Quellenspannung gegeben.

Bei Ausführung der Gleichrichterstufe der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Kennzeichenteil des Patentanspruches 5 wird eine besonders einfache Schaltungsstruktur dieses Systemteiles erhalten. Die Anpassung der Quellenspannung und der Zwischenkreisspannung und die Gleichrichterfunktion werden hiebei durch einen, aus Leistungsthyristoren aufgebauten Halbbrückenzweig erreicht. Die Verbindung des Wurzelpunktes der Thyristoranordnung mit der, nicht an den Mittelpunkt der Zwischenkreisspannung geführten Klemme der Quellenspannung realisiert für jede der beiden Zwischenkreisteilspannungen eine einpulsige Gleichrichterschaltung, wobei die Teilspannungen in bekannter Weise über den Zündwinkel der Thyristoren geregelt werden können.

Da aufgrund der Ventilwirkung der Thyristoren eine Umkehr der Richtung der Energielieferung (Rückspeisung von Energie aus dem Zwischenkreis in die Quellenspannung) nicht möglich ist, sind zum Abbau einer, durch die, die Korrekturspannung einprägenden Wechselrichterstufe der Vorrichtung in den Zwischenkreis (rück)gespeisten Überschußleistung gegebenenfalls zu den Zwischenkreiskondensatoren parallel liegende (Vorlast-)Widerstände oder auch andere (z.B. von der Speisung von Wechselstrommaschinen mittels Spannungszwischenkreis-Pulsumrichter) bekannte Mittel (z.B. pulsgesteuerte Widerstände etc.) zur Begrenzung der Zwischenkreisspannung bei Unidirektionalität des speisenden Stromrichters vorzusehen.

Ausführungsformen der elektronischen Schaltvorrichtung der Gleich- und Wechselrichterstufe beschreiben die Kennzeichenteile der Patentansprüche 6 und 7.

Grundsätzlich soll durch die Schaltvorrichtung zyklisch aufeinanderfolgend das Potential der positiven und der negativen Zwischenkreisspannungsschiene (entsprechend einer Zweipunkt-Charakteristik) oder das Potential der positiven Spannungsschiene und des kapazitiven Zwischenkreisspannungsmittelpunktes bzw. der negativen Spannungsschiene und des Zwischenkreisspannungsmittelpunktes (entsprechend einer Dreipunkt-Charakteristik) an den Wurzelpunkt geschaltet werden.

Dies kann vorteilhaft durch, dem Kennzeichenteil des Patentanspruches 6 entsprechende Ausführung der elektronischen Schaltvorrichtung als Zweipunkt-Halbbrückenzweig abschaltbarer elektronischer Schalter (z.B. Leistungstransistoren) mit antiparallel liegenen Freilaufdioden erfolgen. Bei Gegentaktsteuerung des, einseitig an der positiven und des, einseitig an der negativen Zwischenkreisspannungsschiene liegenden Schaltelementes tritt dabei an der, den Wurzelpunkt der Schaltvorrichtung bildenden Verbindung beider Schaftelemente abwechsend das Potential der positiven und der negativen Zwischenkreisspannungsschiene auf.

Anzumerken ist, daß die elektronische Schaltvorrichtung der Gleichrichterstufe der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch durch einen, durch Weglassung der abschaltbaren elektronischen Schalter eines Zweipunkt-Halbbrückenzweiges zu erhaltenden Dioden-Halbbrückenzweig ersetzt werden kann, wobei allerdings der Vorteil der Möglichkeit einer Energierückspeisung aus dem Zwischenkreis in das Netz und einer Regelbarkeit der Zwischenkreisspannung entfällt.

Wird die weiter oben beschriebene Zweipunkt-Halbbrückenschattung gemäß Kennzeichenteii des Patentanspruches 7 durch, zwischen dem Wurzelpunkt und dem Zwischenkreisspannungsmittelpunkt liegende, bidirektionale, bipolare, abschaltbare elektronische Leistungsschalter erweitert, wird eine Dreipunktcharakteristik der elektronischen Schaltvorrichtung erreicht. Die bidirektionalen, bipolaren Schalteiemente können dabei in bekannter Weise durch Gegenserienschaltung zweier unidirektionaler, unipolarer elektronischer Schalter bzw. abschaltbarer Leistungshalbleiter (beispielsweise MOSFETs oder IGBTs) mit antiparalleler Freilaufdiode, die Anitparallelschaltung symmetrisch sperrender GTOs, die Antiparalleischaltung unipolarer Bipolartransistoren oder IGBTs mit Seriendiode oder durch Anordnung eines unipolaren elektronischen Schalters zwischen den Ausgangsklemmen einer Einphasen-Diodenbrückenschaltung, deren Eingangsklemmen die Schalterpole bilden erfolgen.

Die Hinzunahme der, gegen den Zwischenkreisspannungsmittelpunkt geschalteten Elemente erlaubt aufgrund der, damit erreichten Mehrstufigkeit der Einhüllenden der, am Wurzelpunkt der elektronischen Schaltvorrichtung erzeugten pulsbreitenmodulierten Rechteckspannung gegenüber einer Zweipunkt-Ausfüh- 4

AT 404 527 B rung der Schaltvorrichtung eine Verringerung der Oberschwingungen der Wurzelpunktsspannung bzw. eine entsprechende Verringerung des für die Gleichrichterstufe in Form der Vorschaltinduktivität, für die Wechselrichterstufe in Form des LC-Tiefpasses gegebenen Glättungsaufwandes. Als weiter Vorteil ist die damit für die Wechselrichterstufe gegebene Möglichkeit einer Abschaltung bzw. Überbrückung der Korrekturspannung zu nennen, womit ein Stromfluß über die Energiespeicher des Zwischenkreises und damit eine Überlastung der Vorrichtung (z.B. bei hohem Oberschwingungsgehalt der Stromaufnahme des Prüflings) unterbunden werden kann.

Allgemein wird, wie bereits vorstehend beschrieben, die Leistungsaufnahme der Gleichrichterstufe der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und damit auch die Zwischenkreisspannung durch Amplitude und Phase der (mittleren) Wurzelpunktsspannung bestimmt. Vorteilhaft wird über eine Steuereinheit die Zwischenkreisspannung bzw. die Differenz der, gegenüber dem kapazitiven Mittelpunkt auftretenden Teilspannungen auf einen konstanten Wert geregelt. Dies wird z.B. in bekannter Weise durch eine zweischleifige Regelung der Gleichrichterstufe ermöglicht. Der Sollwert der Amplitude des Eingangsstromes der Stufe wird dabei durch einen Zwischenkreisspannungsregler von der Differenz des Sollwertes und Istwertes der Zwischenkreisspannung abgeleitet. Die Multiplikation dieses Amplitudenwertes mit einem, im einfachsten Fall der Transformator-Sekundärspannung proportionalen Signal führt auf den Sollwert des Eingangsstromes des Gleichrichters, weicher durch eine nachgeordnete bzw. unterlagerte Stromregelschleife, z.B. ausgeführt als Zweipunktregelung, eingestellt wird. Neben der Regelung der Zwischenkreisspannung ist durch die Steuereinheit vorteilhaft auch eine Symmetrierung der Zwischenkreis-Teilspannungen vorzunehmen. Dies wird durch eine Verschiebung des, durch die Zwischenkreis-Spannungsregelschleife vorgegebenen Stromsollwertes durch ein, in Abhängigkeit der Asymmetrie gebildetes Offsetsignal erreicht, welches zu einer, die Asymmetrie der Teilspannungen verringernden Gleichstromkomponente des den kapazitiven Zwischenkreisspannungsmittelpunkt belastenden Stromes führt.

Wie zur Regelung der Zwischenkreisspannung ist auch zur Regelung der Korrekturspannung vorteilhaft ein zweischleifiges Regelungssystem mit gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruches 8 ausgebildeter Vorgabe des Korrekturspannungssollwertes vorzusehen.

Bei Forderung nach sinusförmigem Verlauf der Prüfspannung wird in dem, dem Wechselrichter zugeordneten, auch die Bildung des Sollwertes der Korrekturspannung vomehmenden Teil der Steuerschaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein, durch eine aktive oder passive Filterschaltung gebildetes, der Grundschwingung der Netzspannung proportionales, amplitudennormiertes Signal einem Multiplizierer zugeführt, an dessen zweiten Eingang der, durch eine externe Steuervorrichtung vorgebbare Sollwert der Leerlaufprüfspannung gelegt wird. Das Produkt wird in einer nachgeschalteten Summierstelle durch einen, vom Meßsignal des Ausgangsstromes abgeleiteten, den Spannungsabfall an einem Innenwiderstand der Prüfspannung simulierenden, mit einem, durch eine, über externe Einstellvorrichtungen steuerbare Funktionseinheit gebildeten Signalanteil erweitert, womit am Ausgang der Summierstelle der Sollwert der Prüfspannung auftritt. Über entsprechende Festlegung der Charakteristik der Funktionseinheit können dabei neben Innenwiderstand null z.B. ein positiver, oder negativer ohmscher Innenwiderstand wie auch eine ohmsch induktive und/oder kapazitive innere Inpedanz der Prüfspannung definiert werden. Der Sollwert der Korreturspannung wird nachfolgend als Differenz des Prüfspannungssollwertes und der Quellenspannung gebildet und der, den Wechselrichterteil steuernden, vorteilhaft zweischleifig ausgeführten Korrekturspannungsregelung zugeführt. Die mittels einer Vergleichstelle gebildete Abweichung der, über dem Filterkondensator des LC-Tiefpasses der Wechselrichterstufe auftretenden Korrekturspannung vom Sollwert wird dabei durch einen Spannungsregler in einen Sollwert einer unterlagerten, aufgrund der einfachen schaltungstechnischen Realisierbarkeit vorteilhaft z.B. als Zweipunktregelung ausgeführten Regelung des, über das Längseiement des Tiefpaßfilters fließenden Nachladestromes des parallel zum Ausgang der Wechselrichterstufe liegenden Filterkondensators umgeformt.

Neben der vorstehend beschriebenen Ausführung der Einstellung bzw. Regelung der Korrekturspannung können eine Reihe weiterer bekannter Verfahren als Grundlage einer schaltungstechnischen Realisierung des Steuerteiles herangezogen werden. Insbesondere ist hiebei eine alternative, nicht schaltende Ausführung des Stromreglers mit nachgeordnetem Spannungssteuersatz zu nennen, wobei allgemein Meßwerte von System-Zustandsgrößen wie auch der Ausgangsstrom und/oder die Quellenspannung zur Vorsteuerung der Sollwerte der Regelschleifen herangezogen werden können.

Eine vorteilhafte Ausführung der Korrekturspannungsregeiung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit nach Patentanspruch 3 realisiertem Wechselrichterteil wird durch den Kennzeichenteil des Patentanspruches 9 beschrieben.

Zur Führung der Korrekturspannung wird dabei das Istwert-Signal am Filterkondensator abgegriffen und zusammen mit dem Soliwert-Signal einem Subtrahierglied zugeführt. Das damit gebildete Differenzsignal wird in einen Regelverstärker eingespeist, an dessen Ausgang ein Signal auftritt, welches idealerweise dem 5

AT 404 527 B den Kondensator des Tiefpaßfilters nachladenden Strom entspricht.

Dieses Signal bildet den Sollwert eines unterlagerten Stromregelkreises, wobei allerdings über die beiden Kennlinienglieder eine Aufspaltung in positive bzw. negative Stromsoilwerte erfolgt. Die Auftrennung der Stromregelung auf zwei Teilregelkreise ist deshalb nötig, weil der Leistungsteil wegen der angestrebten Schaltfrequenzverdopplung in zwei - mit versetzter Taktung angesteuerte - Systeme (kollektorseitig an positiver Zwischenkreisschiene liegender Transistor mit anodenseitig an negativer Zwischenkreisschiene liegender Diode bzw. emitterseitig an negativer Zwischenkreisschine liegender Transistor mit kathodenseitig an positiver Zwischenkreisschiene liegender Diode) aufgeteilt wurde. Durch die versetzte Taktung überlagern sich die Rippelanteile in der positiven bzw. negativen Brückenhälfte liegenden Glättungsinduktivitäten in der Form, daß der in den Ausgangskondensator abfließende Summen-Rippelstrom die doppelte Frequenz der Taktung aufweist.

Mit den beiden Kennliniengliedem ist eine Einweg-Gleichrichtung realisiert, wobei über einen zusätzlich aufgeschalteten Offset-Strom sichergestellt wird, daß die beiden Teilstromrichtersysteme stets im nichtlük-kenden Betrieb arbeiten, da nur dann eine Auslöschung der taktfrequenten Oberschwingungen der Rippel-ströme gegeben ist. Die von den Kennliniengliedern gelieferten Stromsoilwert-Signale werden Subtrahier-giiedern eingespeist, welche die Differenz zu den jeweiligen Stromistwert-Signalen bilden. Die Abbildung der Ausgangsströme der beiden Teilstromrichter in die Stromistwert-Signale erfolgt durch geeignete Stromsensoren. Die über Regelverstärker geführten Strom-Differenzsignale stellen Sollwertsignale für die Stromrichter-Ausgangsspannung dar. Die Umwandlung dieser kontinuierlichen Spannungsollwerte in pulsbreitenmodulierte Rechtecksignale (als Grundlage der Ansteuereung geschalteter leistungselektronischer Systeme) erfolgt durch "Verschneidung” der kontinuierlichen Sollwert-Signale mit einem Dreieck- bzw. Sägezahnsignal mittels zweier Komparatorstufen deren Ausgänge an die Ansteuerstufen der abschaltbaren Halbleiterventile der Teilstromrichter geführt werden.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden anhand der, in den, nachfolgend angeführten Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:

Fig.1 Das aus der Verschaltung einer Gleichrichterstufe, Wechselrichterstufe und einer Steuerungseinheit gebildete Grundkonzept der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur aktiven Riterung einer verzerrten Quellenspannung für Prüfzwecke.

Flg.2 Die Grundstruktur einer Ausführungsvariante des Leistungsteiles der erfindungsgemäßen Stromrichterschaltung welche eine Grobanpassung der Quellenspannung und der Zwischenkreisspannung eine eine Rückspeisung von Energie aus dem Zwischenkreis in die Quellenspannung erlaubt, wobei die elektronischen Schaltvorrichtungen der Gleichrichter- und Wechseirichterstufe als, mittels Leistungs-MOSFETs aufgebaute Zweipunkt-Halbbrückenschaltungen ausgeführt sind.

Fig.3 Eine für die Realisierung der elektronischen Schaltvorrichtung der Gleich- und/oder Wechselrichterstufe der erfindungsgemäßen Vorrichtung ersetzbare Dreipunkt-Halbbrückenschaltung.

Fig.4 Die Grundstruktur des Leistungsteiies bei Integration der Filterinduktivitäten des LC-Tiefpaßfiiters der Wechselrichterstufe der erfindungsgemäßen Vorrichtung in den, die elektronische Schaltvorrichtung realisierenden Zweipunkt-Halbbrückenzweig und die Ausbildung der elektronischen Schaltvorrichtung der Gleichrichterstufe als Halbbrückenschaltung von Thyrisitoren.

Fig.5 Die Grundstruktur einer Ausführungsvariante des Steuerungsteiles der erfindungsgemäßen Vorrichtung welche eine Vorgabe der Amplitude und des Innenwiderstandes der gebildeten Prüfwechseispan-nung erlaubt.

Fig.6 Die Grundstruktur einer Ausführungsvariante der, bei Integration der Glättungsinduktivitäten in die elektronische Schaltvorrichtung der Wechselrichterstufe vorteilhaft vorzusehenden Steuerschaltung.

In Fig.1 ist ein aktives Rlter (1) dargestellt, dessen Grundfunktion in der Erzeugung ei-ner, zwischen den Ausgangsklemmen (2) und (3) der Vorrichtung an einem Prüfling (4) anliegenden, z.B. rein sinusförmigen Spannung mit vorgebbarer Amplitude und innerer Impedanz aus der, an die Eingangsklemmen (5) und (6) der Vorrichtung geführten verzerrten, oberschwingungsbehafteten Quellenspannung (7), z.B. der Spannung des öffentlichen Niederspannungsnetzes besteht. Das aktive Filter (1) wird als Spannungszwischen-kreisumrichter (8) ausgeführt, wobei die, durch eine, über Verbindungsleitungen (9) und (10) eingangsseitig parallel zu Quellenspannung liegende Gleichrichterstufe (11) gebildete, zwischen der positiven Zwischenkreisspannungsschiene (12) und der negativen Spannungsschiene (13) auftretende Zwischenkreisgleichspannung an den Eingang einer Wechselrichterstufe (14) gelegt wird und die am Ausgang der Wechselrichterstufe erzeugte Korrekturspannung durch Verbindung eines Ausganges (15) der Stufe mit einem, mit der Eingangsklemme (5) der Vorrichtung (1) verbundenen Schaltungspunkt über die Verbindungsleitung (16) in Serie zur Quellenspannung (7) geschaltet wird. Bei entsprechender Steuerung der Spannungsbildung der Wechselrichterstufe durch eine, von einer übergeordneten, über Eingänge (17) und (18) die Quellenspannung und die Korrekturspannung und einen Eingang (19) den Strom durch den Prüfling erfassenden 6

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Steuereinheit (20) ausgehenden, i. a. mehrpoligen Steuerleitung (21) wird die Korrekturspannung derart gebildet, daß als Summe der Quellenspannung- und der Korrekturspannung eine rein sinusförmige Prüfspannung resultiert. Über einen externen Eingang (22) der Steuereinheit kann dabei die Amplitude der, bei Verbindung der zweiten Ausgangskiemme (23) der Wechselrichterstufe mit der Ausgangsklemme (2) der Vorrichtung über eine Leitung (24) und bei Durchverbindung der noch freien Eingangsklemme (6) und der Ausgangsklemme (3) der Vorrichtung an einem Prüfling (4) anliegenden Spannungssumme vorgegeben, und über einen weiteren Eingang (26) die innere Impedanz der Prüfspannung definiert werden. Durch die Steuereinheit wird weiters der Leistungsfluß der Gleichrichterstufe (11) über eine Steuerleitung (27) derart gesteuert, daß ein konstanter Wert der Ausgangsspannung der Stufe bzw. der Zwischenkreisspannung resultiert.

Figur 2 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform des Leistungsteiles des aktiven Filters 1. Jene Teile, welchen bereits in Verbindung mit Fig.1 ein Bezugszeichen zugewiesen wurde, werden dabei, wie auch im folgenden mit diesem Bezugszeichen bezeichnet.

Die Gleichrichterstufe (11) der Vorrichtung (1) wird durch einen, der Anpassung der Quellenspannung (7) und der Zwischenkreisspannung dienenden, primärseitig über die Verbindungsleitung (9) an die Eingangsklemme (5) und über die Verbindungsleitung (10) an die Verbindung (25) der Eingangsklemme (6) mit der Ausgangsklemme (3) geschalteten Transformator (28), vorteilhaft ausgeführt in Sparschaltung, eine, zwischen dem sekundärseitigen Spannungsabgriff (29) des Transformators und dem Wurzelpunkt (30) einer, die Energieumformung vornehmenden elektronischen Schaltvorrichtung (31) liegenden Vorschaltinduktivität (32) und den, durch die Serienschaltung von zwei Kondensatoren (33) und (34) realisierten Zwischenkreisspeicher (35) gebildet, wobei der Kondensator (33) mit der positiven Zwischenkreisspannungsschiene (12) und dem positiven Pol (36) der elektronischen Schaltvorrichtung und der Kondensator (34) mit der negativen Zwischenkreisschiene (13) und dem negativen Pol (37) der elektronischen Schaltvorrichtung (30) verbunden ist und die beiden noch freien Anschlüsse der Kondensatoren in einem, einen kapazitiven Mittelpunkt der Zwischenkreisspannung bildenden Punkt (38) verschaltet sind und dieser Mittelpunkt über eine Verbindungsleitung (39) mit der, dem Primär- und Sekundärkreis des Transformators (28) gemeinsamen, über Leitung (9) mit der Eingangsklemme (5) verbundenen Klemme (40) verbunden ist.

Die Wechselrichterstufe (14) der Vorrichtung (1) wird durch eine, mit dem positiven Pol (41) an der positiven Zwischenkreisspannungsschiene (12) und mit dem negativen Pol (42) an der negativen Zwischenkreisspannungsschiene (13) liegende elektronische Schaltvorrichtung (43) und ein, zwischen dem Wurzelpunkt (44) der elektronischen Schaltvorrichtung (43) und dem kapazitiven Mittelpunkt (38) der Zwischenkreisspannung liegendes Tiefpaßfilter (45) gebildet, wobei die mit einer Klemme an den Wurzelpunkt (44) geschaltete Filterinduktivität (46) im Punkt (23) mit der Filterkapazität (47) verbunden und dieser, einen Ausgang der Wechselrichterstufe bildende Verbindungspunkt über die Leitung (24) an die Ausgangsklemme (2) geführt und das noch freie, den Ausgang (15) der Wechselrichterstufe bildende Ende der Filterkapazität, über die Verbindungsleitung (16) an den, über die Leitungen (39) und (9) mit der Eingangsklemme (5) der Vorrichtung verbundenen Mittelpunkt (38) der Zwischenkreisspannung geschaltet ist.

Die Steuerung der elektronischen Schaltvorrichtung (31) der Gleichrichterstufe (11) erfolgt ausgehend von einer übergeordneten Steuereinheit (20) über Steuerleitungen (27), die entsprechende Steuerung der Wechselrichterstufe (14) über Steuerleitungen (21). Es wird dabei über entsprechende Taktung der Schaltvorrichtung (31) der Gleichrichterstufe am Wurzelpunkt (30) eine pulsbreitenmodulierte, auf die Quellenspannung (7) synchronisierte Spannung erzeugt, welche in Verbindung mit der, am sekundärseitigen Abgriff (29) des Transformators (28) anliegenden Spannung die über der Induktivität (32) auftretende Spannung definiert. Die schaltfrequenten Oberschwingungen dieser Differenzspannung werden zufolge der, für schaltfrequente Vorgänge hohen Impedanz der Induktivität (32) weitgehend unterdrückt, womit vorteilhaft eine quellenspannungsproportionale Stromaufnahme bzw. ein ohmsches Verhalten der Gleichrichterstufe (11) erreicht und eine Regelung der Zwischenkreisspannung über die Amplitude des Eingangsstromes vorgenommen werden kann.

Die Korrekturspannung wird am Wurzelpunkt (44) der elektronischen Schaltvorrichtung (43) der Wechselrichterstufe (14) entsprechend den, über die Steuerleitungen (27) zugeführten Ansteuersignalen in Form einer pulsbreitenmodulierte Rechteckspannung gebildet und durch das, an der Ausgangsseite der Wechselrichterstufe angeordnete Tiefpaßfilter (45) geglättet. Die als Summe der, zwischen den Eingangsklemmen (5) und (6) der Vorrichtung liegenden, verzerrten Quellenspannung (7) und der Korrekturspannung resultierende, an den Ausgangsklemmen (2) und (3) abzunehmende Prüfspannung weist dabei ideal z.B. einen rein sinusförmigen Verlauf auf, d.h. die Abweichungen der Quellenspannung von der Sinusform werden durch die Steuereinheit erfaßt und durch ein gegengleiche Korrekturspannung kompensiert bzw. gefiltert.

Die elektronischen Schaltvorrichtungen (31) und (43) sind in Fig.2 als Zweipunkt-Halbbrückenzweige ausgeführt. Für die Gleichrichterstufe (11) wird die Schaltvorrichtung durch zwei Leistungs-MOSFETs (48) 7

AT 404 527 B und (49) und antiparallel geschaltete Freilaufdioden (50) und (51) realisiert, wobei der Wurzelpunkt (30) der Schaitvorrichtung durch die Verschaltung des Source-Anschlusses des Leistungstransistors (48) mit dem Drain-Anschluß des Transistors (49) und der positive Pol (36) der Schaltanordnung durch den Drain-Anschluß des Transitors (48) und der negative Pol (37) durch den Source-Anschluß des Transistors (49) gebildet wird und eine anodenseitig mit dem Wurzelpunkt verbundene Freilaufdiode (50) kathodenseitig an den positiven Pol (36) und eine anodenseitig mit dem negativen Pol (37) verbundene Freilaufdiode (51) gegen den Wurzelpunkt (30) geschaltet ist. Die, in der Figur als Leistungs-MOSFETs eingetragenen Schaltelemente können dabei allgemein durch sinngemäß" gleich verwendete, unidirektionale, unipolare, abschaltbare Leistungshalbleiter ersetzt werden. Die Ansteuerung der Schaltelemente erfolgt über Steuerleitungen (27), ausgehend von der Steuereinheit (20) im Gegentakt, womit die Funktion der elektronischen Schaltvorrichtung (31) bezogen auf den Wurzelpunkt (30) einem zweipoligen Umschalter zwischen positiver und negativer Zwischenkreisschiene entspricht und demgemäß' die am Wurzelpunkt auftretende Spannung Zweipunktcharakteristik aufweist. Für die elektronische Schaltvorrichtung (43) der Wechselrichterstufe (14) der Vorrichtung (1) gilt bezogen auf Fig.2 sinngemäß das vorstehend für die Gleichrichterstufe (11) gesagte, wobei die Bezeichnungen (48) und (49) der Leistungs-MOSFETs durch die Bezeichnungen (52) und (53) und die Bezeichnungen (50) und (51) der Freilaufdioden durch die Bezugszeichen (54) und (55) zu ersetzen sind und die Schaltvorrichtung als positiven Pol den Punkt (40), als Wurzelpunkt den Punkt (44) und als negativen Pol den Punkt (42) ausweist.

In Fig.3 ist eine alternative Ausführungsform der elektronischen Schaltvorrichtung der Gleichrichterstufe (11) und/oder der Wechselrichterstufe (14) gezeigt, wobei die eingetragenen Bezugszeichen auf die Gleichrichterstufe bezogen sind. Hiebei wird die, in Verbindung mit Fig.2 beschriebene Ausführung der Schaltvorrichtungen (31) und (43) als Zweipunkt Halbbrückenzweige durch, ausgehend von den Wurzelpunkten (30) und/oder (44) der Schaltvorrichtungen gegen den kapazitiven Mittelpunkt (38) der Zwischenkreisspannung geschaltete, bipolare, bidirektionale, beispielhaft als Gegenserienschaltung von Leistungs-MOSFETs (56) und (57) mit antiparallelen Freilaufdioden (58) und (59) eingetragene, abschaltbare Leistungsschalter erweitert und damit (bezogen auf den Zwischenkreisspannungsmittelpunkt (38) ) eine Dreipunkt-Charakteristik der Einhüllenden der Spannungen an den Wurzelpunkten (30) und/oder (44) bzw. gegenüber einer Zweipunkt-Charakteristik eine Verringerung der Oberschwingungen dieser Spannungen und damit des Filteraufwandes erreicht. ln Fig.4 ist eine weitere, vorteilhafte Ausführung des Leistungsteiles der Vorrichtung (1) dargestellt. Die Gleichrichterstufe (11) wird dabei durch einen Thyristor-Halbbrückenzweig (60) und zwei über die Zwischenkreisteilspannungen geschaltete Vorlastwiderstände (61) und (62) gebildet, wobei ein Thyristor (63) des Halbbrückenzweiges (60) anodenseitig über eine Verbindung (64) mit der Durchverbindung (25) der Eingangsklemme (6) zur Ausgangsklemme (3) verschaltet ist und kathodenseitig an der positiven Zwischenkreisspannungsschiene (12) liegt, und ein weiterer Thyristor (65) kathodenseitig an der Verbindung (64) liegend, anodenseitig mit der negativen Spannungsschiene (13) des Zwischenkreises verbunden ist, wobei vorteilhaft zwischen der positiven Schiene (12) und dem Mittelpunkt (38) der Zwischenkreisspannung und der negativen Schiene (13) und dem Mittelpunkt (38) Vorlastwiderstände (61) und (62) angeordnet werden.

Die Steuerung der Gleichrichterstufe erfolgt über Vorgabe der, auf die Nulldurchgänge der, von Klemme (5) nach Klemme (6) positiv gezählten Quellenspannung (7) bezogenen Zündwinkel der Thyristoren (63) und (65) über Steuerleitungen (27) wobei entsprechend einer einpulsigen netzgeführten Gleichrichtung innerhalb eines, durch den Zündwinkel des Thyristors (63) definierten Intervalls der negativen Halbschwingung der Quellenspannung (7) die, über dem Kondensator (33) auftretende Zwischenkreisteilspannung und innerhalb eines, durch den Zündwinkel des Thyristors (65) definierten Intervalls der positiven Halbschwingung die, durch den Kondensator (34) gestützte Zwischenkreisteilspannung nachgeladen wird.

Aufgrund der Ventilwirkung der Thyristoren (63) und (65) ist keine Rückspeisung von Energie aus dem Zwischenkreis in die Quellenspannung möglich. Eine im zeitlichen Mittel durch die Wechselrichterstufe (14) in den Zwischenkreis gespeiste Energie wird durch Vorlastwiderstände (61) und (62) abgebaut, wobei über entsprechende Dimensionierung stets ein Netto-Energiefluß aus der Quellenspannung in den Zwischenkreis sicherzustellen ist.

Die Schaltungsstruktur der Wechseirichterstufe (14) wird durch symmetrische Aufteilung der Glättungsinduktivität (46) des Tiefpaßfilters (45) und Integration der Teilinduktivitäten (66) und (67) in den Zweipunkt-Halbbrückenzweig erhalten. Die Teilinduktivität (66) wird dabei ausgehend von dem, mit der Ausgangsklemme (2) der Vorrichtung verbundenen Pol (23) des Filterkondensators (47) an den Source-Anschluß (68) des gegen die positive Zwischenkreisschiene (12) geschalteten Leistungs-MOSFETs (allgemein eines abschaltbaren Leistungshalbleiters) (52) und die Teilinduktivität (67) ausgehend von (23) gegen den Drain-Anschluß (69) des an der negativen Zwischenkreisschiene liegenden Leistungs-MOSFETs (53) geschaltet, wobei die 8

AT 404 527 B internen Freilaufdioden (54) und (55) der Leistungstransistoren durch eine anodenseitig an der negativen Zwischenkreischiene (13) und kathodenseitig an dem, in der positiven Brückenhälfte liegenden Eingang (68) des Tiefpaßfilters (45) liegende Diode (70) und eine kathodenseitig an der positiven Zwischenkreisschiene (12) liegende und anodenseitig mit dem, in der negativen Brückenhälfte liegenden Eingang (69) des 5 Tiefpaßfilters (45) verbundene Diode (71) ersetzt werden.

Vorteilhaft weist bei, um eine halbe Pulsperiode versetzter Ansteuerung der Transistoren (52) und (53) der, den Filterkondensator (47) belastende Rippelstrom gegenüber der Anordnung nur einer Filterinduktivität eine verringerte Schwankungsbreite und die zweifache Frequenz auf, womit bei gleichem Ausgangsspan-nungsrippel der Filteraufwand entsprechend verringert werden kann. io Figur 5 zeigt das Blockschaltbild einer vorteilhaften Ausführungsform des, die Wechselrichterstufe (14) der Vorrichtung (1) betreffenden Teils der, in Fig.1 nur schematisiert eingetragenen Steuereinheit (20), wobei von einer Realisierung des Leistungsteiles entsprechend Fig.2 ausgegangen wird.

Aufgabe der Steuerung ist die Regelung der, über dem Ausgangskondensator (47) des, im einfachsten Fall aus der Verschaltung einer Filterinduktivität (46) und einer Filterkapazität (47) gebildeten Tiefpaßfilters iS (45) auftretenden Korrekturspannung mit dem Ziel eines, z.B. rein sinusförmigen Verlaufes der, zwischen den Ausgangsklemmen (2) und (3) der Vorrichtung abzunehmenden, als Summe der Quellenspannung und der Korrekturspannung resultierenden Prüfspannung. Zur Ermittlung des Sollwertes der Korrekturspannung wird dabei durch eine Filterstufe (72) die Grundschwingung der Quellenspannung aus einem Meßsignal (17) der Quellenspannung (7) in amplitudennormierter Form (73) und daraus durch Multiplikation (74) mit 20 dem extern vorgebbaren Sollwert (22) der Amplitude der Leerlaufprüfspannung der Sollwert (75) der Leerlaufprüfspannung gebildet, wobei durch Hinzuziehung eines weiteren, durch einen Funktionsbiock (76) in Abhängigkeit des, von der Verbindungsleitung (24) abgenommenen Meßsignales (19) der Stromaufnahme des Prüflings (4) und eines weiteren exteren Einganges (26) ein, dem Spannungsabfall an einer fiktiven inneren, durch den Steuereingang (26) und die Charakteristik des Funktionsbiockes (76) definierten 25 Impedanz der Prüfspannung entsprechenden Signalanteiles (77) mittels einer Summierstelle (78) der Sollwert (79) der belasteten Prüfspannung resultiert, woraus durch Subtraktion (80) des Meßwertes (17) der Quellenspannung der, einer Regelung (81) der Ausgangsspannung der Wechselrichterstufe (14) zugeführte Sollwert (82) der Korrekturspannung berechnet wird. Die Regelung (81) der Korrekturspannung wird vorteilhaft zweischleifig - mit einer äußeren Spannungsregelschleife (83) und einer unterlagerten Regelung 30 (84) des, den Nachladestrom der Filterkapazität (47) definierenden Stromes in der Filterinduktivität (46) ausgeführt, wobei durch eine Vergleichstelle (85) die Regelabweichung der Korrekturspannung als Differenz des Sollwertes (82) und des, von einer Ausgangsklemme (23) der Wechselrichterstufe abgenommenen Meßwertes (18) der Korrekturspannung gebildet und diese Regelabweichung (86) an den Eingang eines Korrekturspannungsreglers (87) gelegt wird, dessen Ausgang (88) den Sollwert der unterlagerten Stromre-35 gelschleife (84) definiert. Die, durch eine Vergleichstelle (89) gebildete Differenz dieses Sollwertes (88) und des Istwertes (90) des Stromes in der Induktivität (46) des Tiefpaßfilters (45) wird nun im einfachsten Fall an den Eingang (91) eines Hystereseschaltgliedes (92) gelegt, dessen Ausgang (21) direkt zur Ansteuerung der elektronischen Schaltvorrichtung (43) der Wechselrichterstufe derart herangezogen werden kann, daß am Wurzelpunkt (44) dieser Schaltvorrichtung bei negativen Werten der Regelabweichung (91) im zeitlichen 40 Mittel eine, bezogen auf den Ausgang (23) negative, den Istwert (90) verringernde Spannung und bei positiven Werten der Differenz (91) analog eine positive, den Istwert erhöhende Spannung gebildet wird.

Figur 6 zeigt eine vorteilhafte Ausführung der Steuerung bzw. Regelung (83) der Ausgangsspannung der Wechselrichterstufe (14) mit nach Fig.4 ausgeführtem Leistungsteil. Die Führung der Korrekturspannung erfolgt dabei wie auch in Fig.5 durch Abgriff des Istwertes (18) der Korrekturspannung am Ausgang (23) der 45 Wechselrichterstufe (14), wobei das Istwertsignal (18) zusammen mit dem Sollwertsignal (82) einem Subtrahierglied (85) zugeführt wird und das so gebildete Differenzsignal (86) den Eingang eines Regelverstärkers (87) bildet, dessen Ausgangssignal (88) dem Sollwert der Summe der, durch die Glättungsinduktivitäten (66) und (67) fließenden Ströme entspricht ud demgemäß den Sollwert eines unterlagerten Stromregelsystemes (84) bildet, wobei über die beiden Kennliniengiieder (93) und (94), welche beide so eingangsseitig mit dem Sollwert (88) gespeist werden, eine Aufspaltung in positive bzw. negative Stromsollwerte (95) und (96) erfolgt. Die Aufteilung der Stromregelungin zwei Teilkreise ist deshalb nötig, weil auch der Leistungsteil der Wechselrichterstufe (14) wegen der angestrebten Schaltfrequenzverdopplung in zwei, mit versetzter Taktung angesteuerte Teilsysteme - bestehend aus Transistor 52 mit Freilaufdiode (70) und Glättungsinduktivität (66) bzw. aus Transistor (53) mit Freilaufdiode (71) und Glättungsinduktivität (67) -55 aufgeteilt wird. Durch die phasenversetzte Ansteuerung der Transistoren (52) und (53) überlagern sich die Rippelanteile der in den Glättungsinduktivitäten (66) und (67) fließenden Ströme im Ausgangskondensators (47) derart, daß der Ausgangskondensatorstrom die doppelte Frequenz der Taktung, also der über die mehrpolige Steuerleitung (21) zugeführten Steuersignale (112) und (113) der Transistoren (52) und (53) 9

Claims (9)

1. AT 404 527 B aufweist. Mit den beiden Kenniiniengiiedem (93) und (94) werden Einweggleichrichtungen des positiven bzw. negativen Anteils des Sollwertes (88) realisiert, wobei kennliniengemäß über einen Offset sichergestellt wird, daß beiden Teilstromrichtersysteme stets im nichtlückenden Betrieb arbeiten. Die von den Kennliniengliedern (93) und (94) gelieferten Stromsollwertsignale (95) und (96) werden in Vergleichsstelien (97) und (98) mit den durch Strommeßeinrichtungen (99) und (100) erfaßten Istwertsignalen (101) und (102) der, in den Teilinduktivitäten (66) und (67) fließenden Ströme verglichen, und die Differenzsignale (103) und (104) an die Eingänge der Regelverstärker (105) und (106) geschaltet. Das Ausgangssignal (107) des Regelverstärkers (105) ist mit dem Eingang eines Komparators (109) verbunden, das Ausgangssignal (108) des Regelverstärkers (106) wird an einen Komparator (110) geführt. An die zweiten, jeweils noch freien Eingänge der Komparatoren (109) bzw. (110) wird ein taktfrequentes dreieck- oder sägezahnförmiges Signal (111) geschaltet, demgemäß die zeitkontinuierlichen Signale (107) bzw. (108) in pulsbreitenmodulierte rechteckförmige Ansteuersignale (112) bzw. (113) umgewandelt und an die Steueranschlüsse der Leistungstransistoren (52) bzw. (53) gelegt werden. Patentansprüche 1. Vorrichtung zur aktiven Filterung einer verzerrten, oberschwingungsbehafteten Quellenspannung mit dem Ziel der Erzeugung einer, hinsichtlich Amplitude und innerer Impedanz vorgebbaren Prüfspannung unter Einsatz eines Spannungszwischenkreis-Pulsumrichters dadurch gekennzeichnet, dass die durch eine, eingangsseitig über Verbindungsleitungen (9) und (10) parallel zu der, zwischen den Eingangsklemmen (5) und (6) der Vorrichtung anliegenden Quellenspannung (7) geschaltete Gleichrichterstufe (11) gebildete, zwischen der positiven Zwischenkreisspannungsschiene (12) und der negativen Spannungsschiene (13) auftretende Zwischenkreisgleichspannung entsprechend der Grundstruktur eines Spannungszwischenkreis-Pulsumrichters an den Eingang einer Wechselrichterstufe (14) gelegt wird und die, am Ausgang der Wechselrichterstufe erzeugte Korrekturspannung durch Verbindung eines Ausganges (15) der Stufe (14) mit einem, mit der Eingangsklemme (5) der Vorrichtung verbundenen Schaltungspunkt über die Verbindungsleitung (16) in Serie zur Quellenspannung 7 geschaltet wird, womit bei entsprechender Steuerung der Spannungsbildung der Wechselrichterstufe über eine, von einer übergeordneten, über Eingänge (17) und (18) die Quellenspannung und die Korrekturspannung und einen Eingang (19) den Strom durch einen, an die Ausgangsklemmen (2) und (3) der Vorrichtung geschalteten Prüfling erfassenden, auch den Leistungsfluß der Gleichrichterstufe (11) über Steuerleitungen (27) entsprechend der Einstellung eines konstanten Wertes der Zwischenkreisspannung definierende Steuereinheit (20) ausgehende, vorzugsweise mehradrige Steuerleitung (21) die Korrekturspannung derart gebildet wird, daß die bei Verbindung der zweiten Ausgangsklemme (23) der Wechselrichterstufe mit der Ausgangsklemme (2) der Vorrichtung über eine Leitung (24) und bei Durchverbindung (25) der noch freien Eingangsklemme (6) und der Ausgangsklemme (3) der Vorrichtung an einem Prüfling (4) anliegende, als Summe der Quellenspannung (7) und der Korrekturspannung gebildete Prüfspannung mit über einen externen Eingang (22) der Steuereinheit (20) vorgebbarer Amplitude und über einen weiteren externen Eingang (26) vorgebbarer innerer Impedanz im unbelasteten Zustand einen rein sinusförmigen Verlauf aufweist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Wechseirichterstufe (14) durch eine, mit dem positiven Pol (41) an der positiven Zwischenkreisspannungsschiene (12) und mit dem negativen Pol (42) an der negativen Zwischenkreisspannungsschiene (13) liegende elektronische Schaltvorrichtung (43) und ein, zwischen dem Wurzelpunkt (44) der elektronischen Schaltvorrichtung (43) und dem kapazitiven Mittelpunkt (38) der Zwischenkreisspannung liegendes Tiefpaßfilter (45) gebildet wird, wobei die mit einer Klemme an den Wurzelpunkt (44) geschaltete Filterinduktivität (46) im Punkt (23) mit der Filterkapazität (47) verbunden und dieser, einen Ausgang der Wechselrichterstufe (14) bildende Verbindungspunkt über die Leitung (24) an die Ausgangsklemme (2) der Vorrichtung geführt und das noch freie, den Ausgang (15) der Wechselrichterstufe bildende Ende der Filterkapazität, über die Verbindungsleitung (16) an den, über die Leitungen (39) und (9) mit der Eingangskiemme (5) der Vorrichtung verbundenen Mittelpunkt (38) der Zwischenkreisspannung geschaltet ist und die am Wurzelpunkt (44) auftretende, letztlich die Korrekturspannung definierende Spannung entsprechend den, der elektronischen Schaltvorrichtung (43) über Steuerleitungen (21) zugeführten Ansteuersignalen in Form einer pulsbreitenmodulierten Rechteckspannung gebildet wird.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselrichterstufe (14) durch abschaltbare elektronische Schalter (48) und (49), Freilaufdioden (70) und (71) und ein, aus gleichen 10 ΑΤ 404 527 Β Teilinduktivitäten (66) und (67) und einer Ausgangskapazität (47) zusammengesetztes Tiefpaßfilter gebildet wird, wobei die Teilinduktivität (66) ausgehend von dem, mit der Ausgangsklemme (2) der Vorrichtung (1) verbundenen Pol (23) des Rlterkondensators (47), dessen zweiter Pol den Eingang (15) der Wechselrichterstufe bildet, an den Source-, Emitter- oder Kathoden-Anschluß (68) des, mit einem zweiten Anschluß gegen die positive Zwischenkreisschiene (12) geschalteten, abschaltbaren, elektronischen Schalters (52) und die Teilinduktivität (67) ausgehend von (23) an den Drain-, Kollektor- oder AnodenAnschluß (69) des, mit einem zweiten Anschluß gegen die negative Zwischenkreisschiene (13) geschalteten, abschaltbaren elektronischen Schalters (53) geschaltet wird, wobei Freilaufdioden durch eine anodenseitig an der negativen Zwischenkreischiene (13) und kathodenseitig an dem, in der positiven Brückenhälfte liegenden Eingang (68) des Tiefpaßfilters (45) liegende Diode (70) und eine kathodenseitig an der positiven Zwischenkreisschiene liegende und anodenseitig mit dem, in der negativen Brückenhälfte liegenden Eingang (69) des Tiefpaßfilters (45) verbundene Diode (71) realisiert werden.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichterstufe (11) der Vorrichtung (1) durch einen, der Anpassung der Quellenspannung (7) und der Zwischenkreisspannung dienenden, primärseitig über die Verbindungsleitung (9) an die Eingangsklemme (5) und über die Verbindungsleitung (10) an die Verbindung (25) der Eingangsklemme (6) mit der Ausgangsklemme (3) der Vorrichtung geschalteten Transformator (28), eine, zwischen dem sekundärseitigen Spannungsabgriff (29) des Transformators und dem Wurzelpunkt (30) einer elektronischen, die Energieumformung vornehmenden Schaltvorrichtung (31) liegenden Vorschaltinduktivität (32) und den, durch die Serienschaltung von zwei Kondensatoren (33) und (34) realisierten Zwischenkreisspeicher (35) gebildet wird, wobei der Kondensator (33) mit der positiven Zwischenkreisspannungsschiene (12) und dem positiven Pol (36) der elektronischen Schaltvorrichtung und der Kondensator (34) mit der negativen Zwischenkreisschiene (13) und dem negativen Pol (37) der elektronischen Schaltvorrichtung (31) verbunden ist und die beiden noch freien Anschlüsse der Kondensatoren in einem, einen kapazitiven Mittelpunkt der Zwischenkreisspannung bildenden Punkt (38) verschaltet sind und dieser Mittelpunkt über eine Verbindungsleitung (39) mit der, dem Primär- und Sekundärkreis des Transformators (28) gemeinsamen, über Leitung (9) mit der Eingangsklemme (5) verbundenen Klemme (40) verbunden ist und die Steuerung der elektronischen Schaltvorrichtung (31) ausgehend von einer übergeordneten Steuereinheit 20 über Steuerleitungen (27) erfolgt, wobei über entsprechende Taktung der Schaitvorrichtung (31) am Wurzelpunkt (30) eine pulsbreitenmodulierte, auf die Quellenspannung (7) synchronisierte Spannung erzeugt wird, welche in Verbindung mit der, am sekundärseitigen Abgriff (29) des Transformators (28) anliegenden Spannung die über der Induktivität (32) auftretende Spannung definiert und die schaltfrequenten Oberschwingungen dieser Differenzspannung zufolge der, für schaltfrequente Vorgänge hohen Impedanz der Induktivität weitgehend unterdrückt werden und damit eine quellenspannungsproportionale Stromaufnahme bzw. ein ohmsches Verhalten der Gleichrichterstufe (11) erreicht wird bzw. und eine Regelung der Zwischenkreisspannung vorgenommen werden kann.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichterstufe (11) durch einen Thyristor-Halbbrückenzweig (60) und zwei über die Zwischenkreisteilspannungen geschaltete Vorlastwiderstände (61) und (62) gebildet wird, wobei ein Thyristor (63) des Halbbrückenzweiges (60) anodenseitig über eine Verbindung (64) mit der Durchverbindung (25) der Eingangsklemme (6) zur Ausgangsklemme (3) verschaltet ist und kathodenseitig an der positiven Zwischenkreisspannungsschiene (12) liegt, und ein weiterer Thyristor (65) kathodenseitig an der Verbindung (64) liegend, anodenseitig mit der negativen Spannungsschiene (13) des Zwischenkreises verbunden ist, wobei vorteilhaft zwischen der positiven Schiene (12) und dem Mittelpunkt (38) der Zwischenkreisspannung und der negativen Schiene (13) und dem Mittelpunkt (38) Vorlastwiderstände (61) und (62) angeordnet werden und die Steuerung der Gleichrichterstufe über Vorgabe der, auf die Nulldurchgänge der, von Klemme (5) nach Klemme (6) positiv gezählten Quellenspannung (7) bezogenen Zündwinkel der Thyristoren über Steuerleitungen (27) erfolgt, wobei entsprechend einer einpulsigen netzgeführten Gleichrichtung innerhalb eines, durch den Zündwinkel des Thyristors (63) definierten Intervalls der negativen Halbschwingung der Quellenspannung die, über dem Kondensator (33) auftretende Zwischenkreisteilspannung und innerhalb eines, durch den Zündwinkel des Thyristors (65) definierten Intervalls der negativen Halbschwingung die, durch den Kondensator (34) gestützte Zwischenkreiteilspannung nachgeladen wird und durch die Vorlastwiderstände (61) und (62) unabhängig von einer allfälligen Rückspeisung von Energie durch die Wechselrichterstufe (14) in den Zwischenkreis stets ein Netto-Energiefluß aus der Quellenspannung in den Zwischenkreis sichergestellt wird. 11 AT 404 527 B
6. 6. Vorrichtung nach den Ansprüchen (2) und (4) dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltvorrichtung (31) der Gleichrichterstufe (11) und/oder die elektronische Schaltvorrichtung (43) der Wechselrichterstufe (14) als Zweipunkt-Halbbrückenzweige ausgeführt werden, wobei für die Gleichrichterstufe (11) die Schaltvorrichtung durch abschaltbare Leistungshalbleiter (48) und (49) und antiparallel geschaltete Freilaufdioden (50) und (51) realisiert und der Wurzelpunkt (30) der Schaltvorrichtung durch die Verschaltung des Source-, Emitter- oder Kathoden-Anschlusses des elektronischen Leistungsschalters (48) mit dem Drain-, Kollektor- oder Anoden-Anschluß des elektronischen Leistungsschalters (49) und der positive Pol (36) der Schaltanordnung durch den Drain-, Kollektor- oder Anoden-Anschluß des Leistungsschalters (48) und der negative Pol (37) durch den Source-, Emitter- oder Kathoden-Anschluß des Leistungsschalters (49) gebildet wird und eine anodenseitig mit dem Wurzelpunkt verbundene Freilaufdiode (50) kathodenseitig an den positiven Pol (36) und eine anodenseitig mit dem negativen Pol (37) verbundene Diode (51) gegen den Wurzelpunkt (30) geschaltet ist, womit durch die elektronische Schaltvorrichtung bezogen auf den Wurzelpunkt (30) ein zweipoliger Umschalter zwischen positiver und negativer Zwischenkreisschiene (12) und (13) realisiert wird.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß Schaltvorrichtungen (31) und/oder (43) durch, ausgehend von den Wurzelpunkten (30) und/oder (44) der Schaltvorrichtungen gegen den kapazitiven Mittelpunkt (38) der Zwischenkreisspannung geschaltete, bipolare, bidirektionale, abschaltbare, beispielhaft als Gegenserienschaltung gleichsinnig gesteuerter Leistungs-MOSFETs (56) und (57) mit antiparallelen Freilaufdioden (58) und (59) ausgeführte Leistungshalbleiter erweitert und damit, bezogen auf den Zwischenkreisspannungsmittelpunkt (38) eine Dreipunkt-Charakteristik der Einhüllenden der Spannungen an den Wurzelpunkten (30) und/oder (44) bzw. eine Verringerung der Oberschwingungen dieser Spannungen erreicht wird.
8. 8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 die in dem, die Wechselrichterstufe (14) der Vorrichtung (1) betreffenden Teil der Steuereinheit (20) eine Filterstufe (72) zur Ermittlung der Grundschwingung der Quellenspannung (7) in amplitudennormierter Form (73) aus einem Meßsignal (17) und eine multiplikative Verknüpfung (74) des Signales (73) mit dem extern vorgebbaren Sollwert (22) der Amplitude der Leerlaufprüfspannung aufweist und derart den Sollwert (75) der Leerlaufprüfspannung bildet dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwertes der Korrekturspannung aus dem Sollwert (75) der Leerlaufprüfspannung durch Hinzuziehung eines weiteren, durch einen Funktionsblock (76) in Abhängigkeit des, von der Verbindungsleitung (24) abgenommenen Meßsignales (19) der Stromaufnahme des Prüflings (4) und eines weiteren exteren Einganges (26) ein, dem Spannungsabfall an einer fiktiven inneren, durch den Steuereingang (26) und die Charakteristik des Funktionsblockes (76) definierten Impedanz der Prüfspannung entsprechenden Signalanteiles (77) mittels einer Summierstelle (78) der Sollwert (79) der belasteten Prüfspannung resultiert, woraus in an sich bekannter Weise durch Subtraktion (80) des Meßwertes (17) der Quellenspannung der, einer Regelung der Ausgangsspannung (81) der Wechselrichterstufe zugeführte Sollwert (82) der Korrekturspannung gebildet und der z.B. zweischleifig - mit einer äußeren Spannungsregelschleife (83) und einer unterlagerten Regelung 84 des, den Nachladestrom der Filterkapazität (47) definierenden Stromes in der Filterinduktivität (46) ausgeführten Regelung (81) der Korrekturspannung zugeführt wird, wobei diese Regelung z.B. durch eine Vergleichstelle (85) die Regelabweichung der Korrekturspannung als Differenz des Sollwertes (82) und des, von einer Ausgangsklemme (23) der Wechselrichterstufe abgenommenen Meßwertes (18) der Korrekturspannung erfaßt und diese Regelabweichung (86) an den Eingang eines Korrekturspannungsreglers (87) gelegt wird, dessen Ausgang (88) den Sollwert der unterlagerten Stromregelschleife (84) definiert und nachfolgend die, durch eine Vergleichstelle (89) gebildete Differenz dieses Sollwertes (88) und des Istwertes (90) des Stromes in der Induktivität (46) des Tiefpaßfilters (45) im einfachsten Fall an den Eingang (91) eines Hystereseschaltgliedes (92) gelegt wird, dessen Ausgänge (21) direkt zur Ansteuerung der elektronischen Schaltvorrichtung (43) der Wechselrichterstufe (14) derart herangezogen werden kann, daß am Wurzelpunkt dieser Schaltvorrichtung bei negativen Werten der Regelabweichung (91) im zeitlichen Mittel eine, bezogen auf den Ausgang (23) negative, den Istwert (90) erhöhende Spannung und bei positiven Werten der Differenz (91) analog eine positive, den Istwert verringernde Spannung gebildet wird wobei die grundsätzliche Aufgabe des Steuerteiles die Regelung der, über dem Ausgangskondensator (47) des Tiefpaßfilters (45) auftretenden Korrekturspannung zur Erzielung eines z.B. rein sinusförmigen Verlaufes der, zwischen den Ausgangsklemmen (2) und (3) der Vorrichtung (1) abzunehmenden, als Summe der Quellenspannung und der Korrekturspannung resultierenden Prüfspannung ist. 12 AT 404 527 B
9. 9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 und 4 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung (83) der, durch die Wechselrichterstufe (14) gebildeten Korrekturspannung durch Vergleich (85) des, am Ausgang (23) auftretenden Istwertes (18) mit dem Sollwertsignal (82) erfolgt, wobei das Differenzsignal (86) den Eingang eines Regelverstärkers (87) bildet, dessen Ausgangssignal (88) dem Sollwert der Summe der, durch die Glättungsinduktivitäten (66) und (67) fließenden Ströme entspricht und demgemäß den Sollwert eines unterlagerten Stromregelsystemes (84) bildet, wobei über die beiden Kennlinienglieder (93) und (94), welche beide eingangsseitig mit dem Sollwert (88) gespeist werden, entsprechend einer Einweggleichrichtung eine Aufspaltung des positiven und negativen Anteils des Sollwertes (88) in positive bzw. negative Stromsollwerte (95) und (96) vorgenommen und über einen Offset sichergestellt wird, daß die beiden, aus Transistor (52) mit Freilaufdiode (70) und Glättungsinduktivität (66) bzw. Transistor (53) mit Freilaufdiode (71) und Glättungsinduktivität (67) gebildeten Teilstromrichter des Leistungsteiles der Wechselrichterstufe (14) stets im nichtlückenden Betrieb arbeiten und Stromsollwertsignale (95) und (96) in Vergleichsstellen (97) und (98) mit den durch Strommeßeinrichtungen (99) und (100) erfaßten Istwertsignalen (101) und (102) der, in den Teilinduktivitäten (66) und (67) fließenden Ströme verglichen, und die Differenzsignale (103) und (104) an die Eingänge der Regelverstärker (105) und (106) geschaltet werden, und das Ausgangssignal (107) des Regelverstärkers (105) an dem Eingang eines Komparators (109) und das Ausgangssignal (108) des Regelverstärkers (106) an einen Komparator (110) geführt wird, wobei an die zweiten, jeweils noch freien Eingänge der Komparatoren (109) bzw. (110) ein taktfrequentes dreieck- oder sägezahnförmiges Signal (111) geschaltet wird, demgemäß die zeitkontinuierlichen Signale (107) bzw. (108) in pulsbreitenmodulierte rechteckförmige Ansteuersignale (112) bzw. (113) umgewandelt und an die Steueranschlüsse der Leistungstransistoren (52) bzw. (53) gelegt werden, womit eine versetzte Taktung der Transistoren (52) und (53) resultiert und sich entsprechend die Oberschwingungsanteile der, in den Glättungsinduktivitäten (66) und (67) fließenden Ströme im Ausgangskondensators (47) derart überlagern, daß der Ausgangskondensatorstrom die doppelte Frequenz der Taktung, also der über die mehrpoligen Steuerleitung (21) zugeführten Steuersignale (112) und (113) der Transistoren (52) und (53) aufweist. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen 13