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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nachbildung der Phasenströme eines DreiphasenDreipunktPulsgleichrichtersystems wie sie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschrieben ist.
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: Nebenlich auch eine Regelung des Netzstroms vorzusehen wobei neben dem Wechselanteil auch ein, durch Nichtidelaitäten des Stromrichtersystems auftretender Gleichanteil der Phasenströme zu erfassen ist.
Nach dem derzeitigen Stand der Technik werden hiefür in zwei oder drei Netzzuleitungen liegende aktive (Gleich) Stromwandler oder Shunts eingesetzt. (Bei Einsatz von nur zwei Stromerfassungen wird der dritte Phasenstrom unter Berücksichtigung der für freien Netzsternpunkt verschwindenden Summe der drei Phasenströme ermittelt, wobei allerdings hinsichtlich eines, auch auf die Strommesswerte Bezug nehmenden Schutzkonzeptes Einschränkungen betreffend die Erkennung von Fehlerzustände des Gleichrichtersystems gegeben sind.
In der WO 94/14232 wird eine Vorrichtung zur Bereitstellung eines Gleichstromes bzw. einer Gleichspannung vorgebbarer Polarität und Amplitude aus Zweiphasenwechseistrom oder Drehstrom beschrieben. Hiebei wird eingangsseitig eine Gleichrichter-Schaltungsanordnung mit einem Transformator, dessen Sekundärseite in Mittelpunktschaltung bzw. Sternschaltung ausgebildet ist und ein Brückengleichrichter, dessen Gleichspannungsklemmen über je einen Kondensator mit den Sternpunkt der Transformatorsekundärwicklungen verbunden sind, angeordnet. Weiters werden ausgehend von den Gleichspannungsklemmen zwei Längsregler zu einem Mittelpunkt zusammengeführt.
Für eine, zwischen den Ausgangsklemmen der Vorrichtung, d. h., diesem Mittelpunkt und dem sekundärseitigen Transformatorsternpunkt liegende Gleichstrommaschine mit Tachogenerator kann damit, durch entsprechende Steuerung der Längregler in Abhängigkeit der Tachospannung (Drehzahl) ein positiver oder negativer Wert der Ankerspannung und damit letztlich des momentbildenden Ankerstromes eingestellt werden.
Aktive Gleichstromwandler stellen ein potentialfreies Messsignal zur Verfügung, das schaltungstechnisch einfach in eine Stromregelung eingebunden werden kann, weisen allerdings den Nachteil einer relativ geringen Grenzfrequenz und eines relativ hohen Preises auf. Shunts erfordern eine hohe Verstärkung und Potentialtrennung des Messsignales. Als Probleme sind dabei (insbesondere bei Forderung nach hoher Grenzfrequenz der Mcssvorrichtung) der in der Umgebung leistungselektronischer Umformer bestehenden hohe Pegel elektromagnetischer Störungen und die an der Potentialtrennung auftretenden steilen Gleichtaktspannungsänderungen hoher Amplitude zu nennen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine kostengünstige Vorrichtung zur Erfassung der Eingangsstrome eines Dreiphasen-Dreipunkt-Pulsgleichrichters mit minimalem Messaufwand zu schaffen.
Dies wird erfindungsgemäss durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 erreicht.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Grundgedanke der Erfindung ist, nur einen, in der Schaltverbindung zwischen dem Sternpunkt der elektronischen Schaltvorrichtungen der Phasen und dem Mittelpunkt der Ausgangsspannung liegenden Stromsensor einzusetzten und damit abscbnittsweise jeweils einen Phasenstrom zu erfassen. Ein Phasenstrom wird bei Einschalten der zugeordneten elektronischen Schaltvorrichtung an den Mittelpunkt durchgeschaltet, womit innerhalb eines Abschnittes einer Pulsperiode in der Schaltverbindung ein Phasenstrom, die Summe aus zwei Phasenstömen (oder der negative Wert des Stromes der dritten Phase) oder Strom Null (bzw. die Summe der drei Phasenströme) auftritt. Unter Berücksichtigung der Ansteuerbefehle bzw. des Schaltzustands der Schaltvorrichtungen kann somit aus dem Strommesssignal einfach Information über den Momentanwert jeweils eines Phasenstromes gewonnen werden.
Für eine, z. B. als Zweipunktregelung realisierte Regelung der Netzströme ist nun jedoch nicht nur eine abschnittsweise, sondern eine kontinuierliche Information über den Verlauf der Phasenstöme erforderlich. Es wird daher der Netzstromverlauf in jeder Phase durch ein Integrierglied, an dessen Eingang die, über eine Spannungsmesseinrichtung erfasste Spannung an der zugeordneten Vorschaltinduktivität gelegt wird, nachgebildet und die abschnittsweise Strominformation zum laufenden Abgleich des Stromnachbildungssystems herangezogen. Durch diesen Abgleich wird die durch Nichtidealitäten von Komponenten des Phasen-Modeltsystems (z.
B. eines Offsetstromes oder einer Offsetspannung eines bei analoger Realisierung des Integriergliedes eingesetzten Operationsverstärkers oder einer begrenzten Anstiegszeit der Messschaltung zur Erfassung der Spannung an der Vorschaltinduktivität) resultierende Abweichung des tatsächlichen und des nachgebildeten Stromes auf kleine Werte beschränkt.
Der Abgleich eines Phasen-Modellsystems wird stets dann vorgenommen, wenn der zugeordnete Phasenstrom oder die Summe der Ströme der beiden anderen Phasen als Mittelpunktsstrom auftritt. Im ersten Fall wird das Messsignal direkt an den Eingang eines Abgleichregelkreises geführt, im zweiten Fall ist, um zur vorzeichrichtigen Information über den Phasenstrom zu gelangen, eine Inversion des Messsignales
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vorzunehmen. Die Inversion ist also dann aktiv zu schalten, wenn sich die Schaltvorrichungen der beiden anderen Phasen im durchgeschalteten Zustand befinden und die Schaltvorrichtung der abzugleichenden Phase gesperrt ist. Am Eingang des Abgleichregelkreises wird die Differenz aus Modellsignal und Phasenstrommesssignal gebildet und an ein Regelelement (im einfachsten Fall ein Verstärkungselement) gelegt.
Bei Abgleich des Systems wird der Ausgang dieses Regelelementes zusätzlich zur Spannung an der zugeordneten Vorschaltinduktivität an den Eingang des Modellsystems geschaltet bzw. der Abgleichregelkreis geschlossen, und damit ein gegebenenfalls vorliegender Nachbildungsfehler ausgeregelt. Da dieser Abgleich für jeweils zwei Phasen mit durch die Pulsfrequenz des Gleichrichtersystems definierter Häufigkeit erfolgt ist eine sehr gute Genauigkeit der Nachbildung der Netzphasenströme gegeben. Der Ausgang der Phasen-Modellsysteme kann somit direkt als Phasenstrom-Istwertinformation in eine Regelung der Phasenströme eingebunden werden.
Zur Messung des Mittelpunktsstromes kann neben einem aktiven Gleichstromwandler i. a. auch ein Wechseistromwandler eingesetzt werden. Erfolgt die Strommessung mittels eines Shunts, kann eine
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entfallen,elektronik des Systems vorteilhaft der Mittelpunkt der Ausgangsspannung gewählt wird. Diese Form der Strommessung ist damit durch besondere Einfachheit und geringe Kosten gekennzeichnet.
Eine Weiterentwicklung der in Patentanspruch 1 beschriebenen Vorrichtung beschreibt der Kennzeichenteil des Patentanspruches 2.
Bei der Ausführung der Vorrichtung nach Anspruch 1 bleibt die, einen Nachbildungsfehler korrigierende Einwirkung auf die durch die Einschaltintervalle der elektronischen Schaltvorrichtungen definierten Zeitabschnitte beschränkt. Bei kurzen Einschaltintervallen bzw. hohen Pulsfrequenzen wird damit durch den Abgleichregelkreis innerhalnb eines Einschaltintervalles u. U. kein vollständiger Abgleich des Modells erfolgen können. Um die Qualität der Stromnachbildung zu verbessern ist daher der Korrektureingriff über ein Regelelement vorzunehmen, dessen Ausgang auch nach Unterbrechen des Abgleichregelkreises ein Korrektursignal aufrecht hält.
Eine Vereinfachung der Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 wird im Kennzeichenteil des Patentanspruches 3 beschrieben.
Es wird dabei die Stromnachbildung auf zwei Phasen beschränkt und der Strom der dritten Phase als invertierte Summe der Ausgänge dieser Nachbildungssysteme ermittelt. Dies erfolgt unter Berücksichtigung der Tatsache, dass sich bei freiem Netzsternpunkt die Phasenströme zu Null ergänzen.
Eine Weiterentwicklung der Vorrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2 wird im Kennzeichenteil des Patentanspruches 4 beschrieben.
Bei Stromnachbildung mittels einer Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 wird nicht berücksichtigt, dass bei freiem Netzsternpunkt die Summe der Phasenströme physikalisch zu Null gezwungen wird.
Durch Patentanspruch 4 wird die Bedingung des Verschwindens der Phasenstromsumme in die volle dreiphasige Struktur des Nachbildungssystems einbezogen. Es wird dabei einfach die Summe der Nachbildungsströme ermittelt und über ein Regelelement in für alle Phasen gleicher Form auf die Eingänge der Integrationsstufen der Phasennachbildungssysteme geschaltet, wobei über entsprechende Dimensionierung des Regelelementes vorteilhaft eine relativ geringe Dynamik des damit realisierten Stromsummennullabgleichs zu wählen ist. Durch diese Kopplung der Phasenmodeiie wird allgemein die Qualität der Stromnachbildung erhöht, da, wie vorstehend erwähnt, stets nur 2 Phasen pulsfrequent abgeglichen werden (der Wechsel der beteiligten Phasen erfolgt mit zwölffacher Netzfrequenz).
Die erfindungsgemässe Vorrichtung wird im Weiteren unter Bezugnahme auf das in Fig. 1 gezeigte Blockschaltbild näher erläutert.
Figur 1 zeigt das Blockschaltbild (vereinfachte, schematische Darstellung) des enfindungsgemässen Phasenstromnachbildungssystems für ein Dreiphasen-Dreipunkt-Puisgieichrichtersystem, dessen Leistungsteil in Form eines Prinzipschaltbildes eingetragen ist.
Wie in Fig. 1 dargestellt wird der Leistungsteil eines, aus einem Dreiphasennetz 1 mit den Phasenspannungen 2, 3, 4 gespeisten Dreipunkt-Pulsgleichrichtersystems 5 durch netzseitige Vorschaltinduktivit ten 6, 7, 8 eine Drehstromdiodenbrücke 9, elektronische Phasen-Schaltvorrichtungen 10, 11, 12 und einen Ausgangsgleichspannungskreis 13 mit i. a. kapazitiv gebildetem Spannungsmittelpunkt 14 gebildet, wobei die Phasenschaltvorrichtungen abzweigend von den Wechseispannungseingängen 15, 16, 17 der Drehstromdiodenbrücke in Form einer Sternschaltung mit Sternpunkt 18 verschaltet sind und dieser Sternpunkt über eine Verbindungsleitung 19 mit dem Ausgangsspannungmittelpunkt 14 verbunden ist.
Die elektronischen Phasenschaltvorrichtungen werden über Steuersignale 20, 21, 22 ausgehend von einer Steuer- oder Regeleinrichtung des Gleichrichtersystems gesteuert.
Für die Nachbildung 23 der Phasenströme wird in jeder Phase die über der zugeordneten Vorschaltinduktivität 6 bzw. 7 bzw. 8 auftretende Spannung gemessen, bzw., wie in Fig. 1 eingetragen, mittels des
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Verknüpfungselementes 24 als Differenz der Netzphasenspannung 2 und Spannung am Gleichrichtereingang 15 ermittelt). Das Spannungsmesssignal 25 wird nun einer Integratorstufe 26 zugeführt und damit als Ergebnis der Integration ideal ein dem tatsächlichen Phasenstrom proportionales Signal 27 gebildet, da auch der real in der Vorschaltinduktivität fliessende Strom (bzw. die Fluss. lichte im Magnetkreis der Induktivität) entsprechend der Integralform des Induktionsgesetzes durch das Integral der über der Induktivität liegenden Spannung bestimmt wird.
Das Signal 27 stellt somit bereits den Ausgang einer Phasenstromnachbildungsstufe dar. Für den laufenden Abgleich 28 dieser Stromnachbildung wird der über 19 in den Mittelpunkt 14 fliessende Strom über eine Strommessvorrichtung 29 mit Ausgangssignal 30 erfasst und an den Eingang eines nicht invertierenden Verstärkerelementes 31 und eines invertierenden Verstärkungselementes 32 geführt. Am Ausgang dieser Verstärkungselemente ist ein (z. B. durch einen Analogschalter realisier- ter) Umschalter 33 angeordnet, der durch ein Steuersignal 34 gesteuert, das Ausgangssignal 35 von 31 oder das Ausgangssignal 36 von 32 abgreift und für jede Phase gleich an den Eingang 37 einer Verknüpfungsstelle 38 führt, an deren zweiten Eingang 39 das jeweilige Phasenstromnachbildungssignal 27
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40 ermittelt.
Das Fehlersignal 40 bildet das Eingangssignal einer Verstärkerstufe 41, deren Ausgang 42 durch ein über ein Signal 43 gesteuertes elektronisches Schaltelement 44 (z. B. realisiert durch einen Analogschalter) an den Eingang 45 eines weiteren Verstärkungselementes 46, das auch bei Verschwinden des Eingangssignales 45 ein Ausgangssignal aufrecht zu halten erlaubt, geschaltet wird. Durch Verbinden des Ausganges 47 von 46 mit der Verknüpfungsstelle 24 wird der Abgleichregelkreis 48 geschlossen.
Durch den Abgleichregelkreis wird das Auftreten eines stationären Nachbildungsfehlers unterbunden und auch eine dynamische Abweichung des nachgebildeten Phasenstromsignals 27 vom tatsächlichen Verlauf des Phasenstromes (z. B. verursacht durch Offsetgrössen der bei analoger Realsierung der Vorrichtung verwendeten Operationsverstärker oder der nicht exakten Erfassung der steilen Änderungen der über den Vorschaltinduktivitäten auftretenden Spannungen) auf kleine Werte begrenzt.
Das Stromnachbildungssystem und die Abgleichvorrichtung weisen für jede Phase gleiche Struktur auf.
Die Funktionsbeschreibung soll daher im Folgenden nur für eine Phase (Phase 2) erfolgen. Ein Abgleich der Nachbildung in Phase 2 wird durch das Schliessen des Schaltelementes 44 aktiviert und ist nur dann möglich wenn aus der Messung des Mittelpunktsstromes 30 auf den jeweiligen Phasenstrom geschlossen werden kann, also falls nur die der Phase 2 zugeordnete elektronische Schaltvorrichtung 10 oder die elektronischen Schaltvorrichtungen der beiden anderen Phasen, 3 und 4, geschlossen sind. Im ersten Fall wird direkt der Phasenstrom erfasst, im zweiten Fall tritt als Strommesssignal die Summe der Netzstöme der Phasen 3 und 4 oder-wie unter Berücksichtigung der, aufgrund des freien Netzsternpunktes zu Null erzwungenen Summe der Phasenströme unmittelbar einsichtig - der inverse Wert des Netzstromes in Phase 2 auf.
Um für den Abgleich stets ein vorzeichenrichtiges Phasenstromsignal zur Verfügung zu stellen, wird durch entsprechende, von einer übergeordneten Steuereinheit 49 des Abgleichvorganges mit Eingängen 20, 21, und 22 ausgehende Ansteuerung des Umschatters 33 in jenen Fällen, in denen sich nur eine elektronische Phasenschaltvorrichtung 10 im durchgeschalteten Zustand befindet, das verstärkte, jedoch nicht invertierte Messsignal 35 und in jenen Fällen, in denen sich die Phasenschaltvorrichtungen 11 und 12 (allgemein die Phasenschaltvorrichtungen der beiden anderen Phasen) im durchgeschalteten Zustand befinden, das verstärkte und invertierte Messsignal 36 an den Eingang 37 des Phasenabgleichregelkreises 48 gelegt.
Allgemein erfolgt der Abgleich einer Phase, wie vorstehend erwähnt, innerhalb der Einschaltintervalle des zugeordneten elektronischen Schalters 44 wobei dieses Schaltelement durch die Steuereinheit 49 grundsätzlich synchron mit der zugeordneten Phasenschaltvorrichtung getaktet wird, jedoch auch in jenen Zeitabschnitten durchgeschaltet wird, in denen sich die Schaltvorrichtungen der beiden anderen Phasen im durchgeschalteten Zustand befinden. Durch das Schliessen von 44 wird der Regelfehler 40 verstärkt und dynamisch bewertet über das Verknüpfungselement 24 derart derart in das Eingangssignal der lntegratorstufe 26 einbezogen, dass das Nachbildungssignal 27 an den tatsächlichen Wert des Phasenstromes herangeführt, bzw. der Nachbildungsfehler auf Null geregelt wird.
Weisen die elektronischen Schaltvorrichtungen 10,11, 12 nur kurze relative Einschaltzeiten auf, ist der abgleichende Stelleingriff 48 vorteilhaft auch in jenen Zeitintervallen aufrecht zu halten, in denen sich 44 nicht im geschlossenen Zustand befindet. Dies kann durch Aufbringen des Stellsignals über ein Verstärkungselement im Integralanteil 46 oder ein Abtast-Halte-Glied erfolgen.
Wie eine nähere Analyse der im Betrieb eines Dreiphasen-Dreipunkt-Pulsgleichrichtersystems auftretenden Schaltzustandssequenzen zeigt, treten jeweils in g breiten Abschnitten einer Netzperiode Schaltzustandssequenzen auf, die unter Einsatz der vorstehend beschriebenen erfindungsgemässen Vorrichtung jeweils nur den laufenden Abgleich von zwei Phasen erlauben. Eine Erhöhung der Qualität der Stromnachbildung der jeweils dritten Phase kann durch erfindungsgemässe Erweiterung der Vorrichtung über Anordnung eines Nullabgleich der Phasenstromsumme erfolgen.
Es wird dabei die Summe der drei nachgebilde-
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ten Phasenströme verstärkt und dynamisch bewertet in für alle Phasen gleicher Form derart an die Eingänge der Integratorstufen 26 zurückgeführt, dass eine Verringerung der Summe der Ausgangssignale 27 der Phasenstromnachbildungssignale bewirkt wird. Anschaulich wird durch diesen Nullstromregler ein Nachbildungsfehler einer Phase gleichmässig auf alle Phasen verteilt und das für die realen Phasen physikalisch erzwungene Verschwinden eines Summenstromes durch einen entsprechenden Regeleingriff überwacht bzw. sichergestellt.