CH617548A5

CH617548A5 - Adjustment arrangement for a power converter system with a controllable semiconductor regulator

Info

Publication number: CH617548A5
Application number: CH956577A
Authority: CH
Inventors: Winfried Dipl Ing Daumann; Reiner Dipl Ing Nill
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1976-08-14
Filing date: 1977-08-04
Publication date: 1980-05-30
Also published as: DE2636668A1; DE2636668C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelanordnung für eine Stromrichteranlage mit steuerbarem Halbleitersteller zur Speisung eines Gleichstrom- oder Gleichspannungsverbrauchers oder eines Gleichspannungszwischenkreises eines Umrichters aus einem Gleichspannungsnetz oder einem einphasigen Wechselspannungsnetz unter Erhaltung im wesentlichen oberschwingungsfreier Netzgrössen, mit einem ersten Regelkreis, bestehend aus einem Spannungsregler mit unterlagertem Stromregler, und mit einem Steuersatz zur Steuerung der Ventile des Halbleiterstellers, dessen Steuerimpulsbildner an den Ausgang des ersten Regelkreises angeschlossen ist.

Die Erfindung kann Anwendung finden in der Antriebstechnik, bevorzugt, jedoch nicht ausschliesslich, bei Drehstromantrieben von elektrischen Lokomotiven, die aus Gleichspan-nungs- oder Wechselspannungsbahnnetzen gespeist werden.

Derartige Drehstromantriebe mit Wechselrichter und Gleichspannungszwischenkreis sind besonders günstig zu realisieren, wenn eine Gleichspannungsquelle bzw. eine Zwischen-kreisspannung mit kleinen Oberschwingungen und konstanter Gleichspannung zur Verfügung steht. Das Bahnnetz, aus dem die Energie aufgenommen wird, wird besonders optimal belastet, wenn geringe Oberschwingungen vorliegen und der Netzstrom in Phase mit der Netzspannung (Grundschwingung) ist.

Es sind Pulsstromrichteranordnungen bekannt (J. Körber, DT-Zeitschrift ETR «Eisenbahntechnische Rundschau», Heft 7/8,1975, Seiten 251 bis 259 = BBC Sonderdruck D VK 50756 D, Seiten 1 bis 10; J. Körber, Zeitschrift «Glasers Annalen», Jg. 100 (1976) Heft 2/3, Seiten 58 bis 64 = BBC Sonderdruck D VK 60024 D, Seiten 1 bis 9), die diese Probleme sowohl für ein-gangsseitige Gleichspannung als auch eingangsseitige Wechselspannung lösen.

Zur Regelung dieser Eingangsstromrichter wird ein bekannter Spannungsregelkreis für die Zwischenkreisspan-nung mit unterlagertem Netzstromregelkreis verwendet. Die Regelanordnung der eingangs beschriebenen Gattung ist für einen Stromrichter an einem Einphasen-Wechselstromnetz bekannt (DT-OS 2 217 023, Zusatz zu DT-OS 2 159 397). In diesem bekannten Fall werden der eingangsseitige Wechselstrom und die eingangsseitige Sinusfunktion sowie die ausgangssei-tige Gleichspannung gemessen und in einem Spannungsregelkreis mit unterlagerter Stromregelung und mit einem Rechenglied ausgewertet, so dass schliesslich über einen Steuersatz die Zünd- und Löschzeitpunkte der Ventile eines Halbleiterstellers, der mit dem eingangsseitigen Vollwellengleichrichter zusam-5 mengeschaltet ist, in Abhängigkeit von den Messgrössen verstellt werden. Dabei wird im wesentlichen ein oberschwingungsfreier Strom erhalten, der in Phase mit der Netzspannung ist. Die bekannte Anordnung arbeitet in allen vier Quadranten der Strom-Spannungscharakteristik, bezogen auf die Eingangs-") grossen.

Im bekannten Fall wird folglich aktiv in die Steuerung des Halbleiterstellers bzw. Stromrichters eingegriffen, um u. a. Netzrückwirkungen zu vermeiden.

Zur Erzielung eines nahezu sinusförmigen Wechselstromes 's unter gleichzeitiger Abgabe gut geglätteter Gleichgrössen ist einerseits eine harmonisch-zeitvariante Übersetzung bzw. Steuerung eines Einphasenstromrichters und andererseits die Anordnung von Energiespeichern bzw. Saugkreisen im Gleichstromzwischenkreis bzw. vor dem Verbraucher bekannt (M. 2o Depenbrock «Einphasen-Stromrichter mit sinusförmigem Netzstrom und gut geglätteten Gleichgrössen» ETZ-A Bd. 94 (1973) H.8, S. 466-471 ; D. Daum «Untersuchung eines Einpha-sen-Stromrichters mit nahezu sinusförmigem Netzstrom und gut geglätteten Gleichgrössen» Dissertation, Ruhr-Univer-25 sität Bochum, 1974; H. Kehrmann, W. Lienau, R. Nili «Vierqua-drantensteller - eine netzfreundliche Einspeisung für Triebfahrzeuge mit Drehstromantrieb», Elektr. Bahnen 45 (1974), H. 6, S. 135-142; G. Klinger «Regelungstechnische Untersuchung einer Einphasen-Stromrichterschaltung mit harmonisch zeitva-30 riantem Übertrager IFAC SYMPOSIUM, Düsseldorf, 7. bis 9. Oktober 1974, Band I, Seite 443-456; M. Depenbrock «Einphasenstromrichter mit optimiertem Leistungsfaktor» ETZ-A Bd. 95 (1974), H. 7, S. 360-363). Insbesondere durch Klinger ist ein Mehrgrössen-Regelungssystem bekannt, mittels dessen aus-35 ser den vorgenannten Forderungen auch eine optimale Dämpfung der aufgrund der zeitdiskreten Steuerung im Zwischenkreis entstehenden Schwingung erreicht wird. Eine ähnliche Regelanordnung ist auch bei einem Einquadrantensteller mit Speisung aus dem Gleichspannungsnetz realisierbar.

io In den vorgenannten bekannten Fällen ist jedoch jeweils ein wesentliches Problem nicht angesprochen, das die Stromrichtertechnik für die Signaltechnik, insbesondere bei Bahnbetrieben, aufwirft: die Verträglichkeit von Signal- und Stromrichteranlagen. Viele Signalanlagen arbeiten frequenzselektiv bei 45 einer oder mehreren Frequenzen und sprechen bei einer bestimmten Stromamplitude an. Lediglich als Beispiel seien die automatischen Streckenblöcke zur Kontrolle der Belegung eines Blockes (Streckenabschnittes) bei Bahnanlagen erwähnt. Diese automatischen Streckenblöcke arbeiten mit einem so Wechselstromsignal. Die Streckenblockfrequenz liegt seit Jahrzehnten fest. Da die Stromrichter meistens ein ganzes Spektrum von Frequenzen erzeugen, solange keine besonderen Massnahmen getroffen werden, ist es möglich, dass im Oberwellenspektrum eine Spektrallinie von der Frequenz liegt, bei 55 der die Signalanlage arbeitet.

Der Erfindung liegt, ausgehend der eingangs genannten bekannten Regelanordnung (DT-OS 2217 023), die Aufgabe zugrunde, die Bildung von störenden Oberwellen weiter zu verringern.

60 Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, dass ein zweiter Regelkreis zum Ausregeln einer bestimmten Stôrfréquenz dem Steuerimpulsbildner vorgeschaltet ist.

Mit Hilfe des zweiten Regelkreises wird aktiv in die Stromrichteranlage eingewirkt, derart, dass ganz bestimmte Störfre-65 quenzen ausgeregelt werden. Damit sind bessere Ergebnisse erzielbar als bei der herkömmlichen Verwendung rein passiver Elemente. Insbesondere können genau die Frequenzen unterdrückt werden, die die Funktion von Signalanlagen stören

könnten. Die Anwendung ist möglich sowohl bei einem Halbleitersteller mit Löschkreis (Körber, DT-Zeitschrift ETS s.o.), als auch bei einem Halbleitersteller, der gemäss DT-OS 2 217 023 mit einem Gleichrichter zusammengeschaltet ist und insgesamt einen Vierquadrantensteller darstellt.

Bei einer zweckmässigen Ausbildung umfasst der zweite Regelkreis ein selektives Filter für die Störfrequenz, einen proportional wirkenden Regler und eine Additionsstelle, an der auch der Ausgang des ersten Regelkreises angeschlossen ist. Der Proportionalitätsfaktor des proportional wirkenden Reglers ist vorteilhafterweise einstellbar.

In einfacher Weise wird durch das selektive Filter die Stör-îrequenz aus dem Netzstrom herausgesiebt und über den P-Regler mit negativem Vorzeichen auf die Additionsstelle bzw. auf den nachfolgenden Eingang des Steuerimpulsbildners gegeben, der einen Pulsbreitenmodulator mit verschiebbaren Taktzeitpunkten enthält.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch einen bekannten stromrichtergespeisten Traktionsantrieb mit Einquadranten-Gleichstromsteller und Drehstromantrieb,

Fig. 2 einen bekannten Einquadranten-Gleichstromsteller für die Schaltung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine bekannte Regelanordnung für die Schaltung nach Fig. 1 mit Spannungsregler und unterlagertem Stromregler,

Fig. 4 Zeitdiagramme für die Stellerspannung, die Netzspannung und den Netzstrom der Schaltung nach Fig. 1 und

Fig. 5 eine erfindungsgemässe Regelanordnung für die Schaltung nach Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine bekannte Anordnung (Körber, s.o.) für einen Lokantrieb. Als wesentliche Elemente sind dargestellt: ein Stromabnehmer 10 an der Fahrleitung 11, eine Filterdrossel 12, ein Filterkondensator 13, ein Einquadranten-Halbleiterstel-ler 14, ein Gleichspannungszwischenkreis 15 mit Kondensator 16, ein Wechselrichter 17 mit Drehstromausgang 18, ein Drehstrommotor 19 und eine Schiene 20 zur Stromrückleitung. Weiterhin sind eingezeichnet: Netzstrom Ìn, Netzspannung Um, Gleichstrom iD und Gleichspannung Ud- Der Parallelkondensator 16 schliesst die höherfrequenten Oberschwingungen kurz, so dass eine im wesentlichen geglättete Gleichspannung Ud vorliegt. Dies gilt für den bekannten Fall mit der nachfolgend näher aufgezeigten Beschränkung.

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Fig. 2 zeigt ein Prinzipschaltbild eines an sich bekannten Gleichstromstellers 14. Die Schaltelemente gemäss Fig. 1 sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Der Einquadranten-Halbleitersteller 14 besitzt eine Drossel 21, die an einen Ver-5 zweigungspunkt 23 am Filterkondensator 13 angeschlossen ist. An diese Drossel 21 sind mit Polung in Durchlassrichtung eine andererseits am positiven Gleichstrompol liegende Diode 24 und - ebenfalls mit Polung in Durchlassrichtung - ein andererseits am negativen Gleichstrompol liegender Halbleitersteller io 26 angeschlossen. Der Halbleitersteller 26 ist als Thyristor mit Löscheinrichtung dargestellt (Heumann/Stumpe, s.o.). Durch Zünden und Löschen des Halbleiterstellers 26 können jeweils entsprechende Stromabschnitte des Eingangsstromes Ìn auf den Ausgang geschaltet werden, derselbe wird ein- und ausge-i5 schaltet.

Hierbei tritt nun das Problem auf, dass eine am Zwischenkreis 15 angeschlossene Belastung (z. B. ein Wechselrichter) Oberschwingungsspannungen im Zwischenkreis 15 erzeugen kann. Diese Oberschwingungen können moduliert mit der Stello lertaktung zu unterwünschten Beeinflussungen der Signaltechnik führen, wie es im folgenden näher aufgezeigt wird.

Für die Zwischenkreisspannung, bestehend aus der Summe von einem Gleichanteil und stellvertretend für alle Oberschwingungen aus einer Oberschwingungsspannung mit der 25 Kreisfrequenz toi gilt:

Ud (t) = Udo + Ûdi • coscoit.

Die Taktung des Stellers 14 führt am Thyristor 26 zu einer 30 Spannung, die aus einem Gleichanteil und Oberschwingungen der Taktfrequenz besteht, von der hier ebenfalls stellvertretend nur eine betrachtet wird:

USt, (t) = Udo • K + C (K) • cosco0t,

35

wobei bedeuten:

K - Verhältnis der Sperrzeit des Thyristors 26 zur Taktperiode,

C (K) - aus der Fourierzerlegung ableitbare, stellvertretend 40 betrachtete Oberschwingung,

(öo - Taktkreisfrequenz,

Ustl - Spannung am Halbleitersteller 26.

Durch Berücksichtigung beider obiger Gleichungen ergibt 45 sich die Gleichung:

ust.

(t) = u d

o

K + U

dl

K

cos u; t

U

+

dl

U

do

C (K)

(

cos (co +cj ) t + cos (to -iü,)tr oi o 1 J

+ C (K)

cos u> t. o

Für die Beeinflussung können hauptsächlich die Anteile mit 60 coi und (öo-coi mit der kritischen Frequenz cos (z. B. der Streckenblockfrequenz) zusammenfallen.

Fig. 3 zeigt eine an sich bekannte Regelanordnung (DT-OS 2 217 023). Diese besitzt im einzelnen eine erste Additionsstelle 65 30 zur Vergleichsbildung zwischen dem Gleichspannungs-Ist-wert Udist und dem Gleichspannungs-Sollwert UdSoii, einen pro-portional-integrierend wirkenden Spannungsregler (PI-Span-

nungsregler) 31, eine zweite Additionsstelle 32 für den Vergleich zwischen dem von dem PI-Spannungsregler 31 gelieferten Stromsollwert iNsou und dem von einem Messglied (nicht dargestellt) gelieferten Netzstromistwert iNjStI einen PI-Strom-regler 33 und einen Steuerimpulsbildner 50. Dieser besteht aus einer Additionsstelle 34, einem Dreieckspannungsgenerator 35, einem Komparator 36 und ausgangsseitig weiteren Schaltgliedern 49 zur Bildung der Zündbefehle für Thyristor und Löscheinrichtung.

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Fig. 4 zeigt als Beispiel die oben vereinfacht formelmässig stelle 46 ist auf das Zwischenkreisfilter 16 geführt, an dessen abgeleitete Entstehung der Oberschwingung mit Mischfre- Ausgang der Gleichspannungsistwert UdiSt abgegriffen und quenz.tN und üStl bedeuten dabei Mittelwerte von Netzstrom über einen Verzweigungspunkt 47 einmal im negativen Sinn und Steliereingangsspannung; die anderen Grössen sind bereits der ersten Additionsstelle 30 und zum anderen dem Halbleitervorstehend erläutert. Man erkennt, dass üstl und ÎN einen nieder- s steller 14' zugeführt wird. Der Ausgang der ersten Additions-frequenten Oberschwingungsanteil enthalten, der weder in der stelle 30 führt über dem Spannungsregeier 31, dessen Aus-Zwischenkreisspannung enthalten ist, noch der Taktfrequenz gangssignal den Stromsollwert darstellt, zur zweiten Additions-entspricht. Die Darstellung ist in den Amplituden sehr stark stelle 32, der der von einer Verzweigungsstelle 48 hinter der übertrieben. Die eingangs beschriebenen bekannten Regelan- Stellerdrossel 21 abgegriffenen Netzstromistwert im negativen Ordnungen sind nicht imstande, den Oberschwingungsstrom i o Sinne zugeführt wird. Der Ausgang der zweiten Additionsstelle wirksam zu unterdrücken, weil die störenden Amplituden sehr 32 Hegt am PI-Stromregler 33, dessen Ausgang schliesslich zur klein gegenüber dem Nutzsignal sind. dritten Additionsstelle 34' führt. Im weiteren Signalzug dieses

Fig. 5 zeigt unter Beibehaltung der bisherigen Bezeichnun- Regelkreises liegt wiederum der Steuerimpulsbildner 50, des-gen, für wiederkehrende Schaltglieder ein Blockschaltbild der Sen Ausgang an den Halbleitersteller 14' angeschlossen ist. Die erfindungsgemässen Regelanordnung, wobei die Regelstrecke 15 Wirkungsweise des zuletzt beschriebenen Regelkreises ent-mit Stellerdrossel 21, Halbleitersteller 14' und Zwischenkreisfil- spricht der der bekannten Anordnung nach Fig. 3. ter 16 strichpunktiert abgegrenzt ist. Der Eingangsfilter beste- Die Wirkung des zusätzlichen, zweiten Regelkreises wird hend aus Filterdrossel 12 und Filterkondensator 13 ist nicht nachfolgend erläutert: Der Netzstrom iN wird in jedem Augenberücksichtigt. Da der Ausgangsstrom des Stellers 14' aus Aus- blick mit Hilfe des selektiven Filters 40 auf evtl. Frequenzanschnitten des Eingangsstromes und die Eingangsspannung aus 20 teile überwacht. Liegt kein messbarer Anteil vor, so ist der Ausschnitten der Zwischenkreisspannung besteht, ist der Stel- zusätzliche Regelkreis nicht wirksam. Wird j edoch ein messba-ler 14' durch zwei Multiplizierer 14" und 14'" dargestellt. rer Anteil empfangen, so gelangt dieser über den P-Regler 42

Die Erzeugung der störenden Mischfrequenz wird dadurch auf die dritte Additionsstelle 34' und beeinflusst deren Ausausgeschaltet, dass der störende Frequenzanteil des Drossel- gangssignal und somit den Steuerimpulsbildner 50. Durch diese stromes iN über ein selektives Filter 40 ausgesiebt und über 25 Wirkung werden die Taktzeitpunkte des Halbleiterstellers 14' einen zweiten Regelkreis ausgeregelt wird. Zu diesem Zweck derart verschoben, dass die ursprünglich in der Stellereingangs-ist hinter der Stellerdrossel 21 ein Regelkanal 41 angeschlos- Spannung bzw. im Stellereingangsstrom enthaltene Kompo-sen, der über das selektive Filter 40, und einen P-Regler 42 mit nente mit dem Frequenzanteil cos kompensiert wird.

negativem Vorzeichen an eine dritte Additionsstelle 34' führt, Die Erfindung ist anhand eines aus einem Gleichspannungs-

an die auch der Ausgang des Stromreglers 33 angeschlossen ist. 30 netz gespeisten Einquadranten-Stellers beschrieben; sie ist in

Im weiteren Signalzug des zweiten Regelkreises folgt wie in ähnlicher Weise auf einen aus einem Wechselspannungsnetz

Fig. 3 der Steuerimpulsbildner 50. Der Ausgang des Steuerim- gespeisten Vierquadrantensteller gemäss DT-OS 2 217 023

pulsbildners 50 ist an den Halbleitersteller 14' angeschlossen, in anwendbar.

der Darstellungsweise nach Fig. 5 über einen Verzweigungspunkt 43 an die beiden dargestellten Blöcke 14'und 14"'. Der 35 Die erfindungsgemässe Regelanordnung eignet sich in

Halbleitersteller 14 besitzt zwei Ausgänge 44 und 45. Uber den besonders vorteilhafter Weise für eine Drehstromlok bei

Ausgang 44 wird im regelungstechnischen Ersatzschaltbild die Betrieb am Gleichspannungs- oder Einphasen-Wechselspan-

Stellerspannung Ustian eine eingangsseitig der gesamten Regel- nungsfahrdraht; denn es ist dabei von einer grossen Dynamik anordnung bzw. der Stellerdrossel 21 liegende vierte Addi- des Antriebes und dem Wunsch nach extrem kleinen Störströ-

tionsstelle 22 zurückgeführt. An dieser Additionsstelle 22 liegt 40 men auszugehen. Es versteht sich dabei, dass die beschriebenen ausserdem das Netzspannungssignal UN. Massnahmen zusätzlich bzw. zur Unterstützung der an sich

Der Ausgang 45 des Halbleiterstellers 14' führt zu einer bekannten Massnahmen zur Unterdrückung von Störschwin-fünften Additionsstelle 46, der zusätzlich der Lastgleichstrom id gungen bzw. zur Verbesserung der Filterwirkung für die Signalzugeführt wird. Das Ausgangssignal dieser fünften Additions- frequenz eingesetzt werden können.

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3 Blatt Zeichnungen

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Claims

617548 PATENTANSPRÜCHE

1. Regelanordnung für eine Stromrichteranlage mit steuerbarem Halbleitersteller zur Speisung eines Gleichstrom- oder Gleichspannungsverbrauchers oder eines Gleichspannungszwischenkreises eines Umrichters aus einem Gleichspannungsnetz oder einem einphasigen Wechselspannungsnetz unter Erhaltung im wesentlichen oberschwingungsfreier Netzgrös-sen, mit einem ersten Regelkreis, bestehend aus einem Spannungsregler mit unterlagertem Stromregler, und mit einem Steuersatz zur Steuerung der Ventile des Halbleiterstellers, dessen Steuerimpulsbildner an den Ausgang des ersten Regelkreises angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Regelkreis (41,40,42,34) zum Ausregeln einer bestimmten Störfrequenz (cos) dem Steuerimpulsbildner (50) vorgeschaltet ist.

2. Regelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Regelkreis ein selektives Filter (40) für die Störfrequenz (o)s), einen proportional wirkenden Regler (42) und eine Additionsstelle (34°), an die auch der Ausgang des ersten Regelkreises (30,31,32,33) angeschlossen ist, umfasst.

3. Regelanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Proportionalitätsfaktor des proportional wirkenden Reglers (42) einstellbar ist.