DE10010350A1 - Verfahren für Pulsumrichter mit Spannungszwischenkreis zur Verminderung von Netzrückwirkungen und zur Reduzierung von Spannungsüberhöhungen durch Resonzanzen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung von Steuerverfahren für einen oder mehrere Puls-Stromrichter mit Spannungs-Zwischenkreis gemäß Fig. 1, der als Variante mindestens mit einem weiteren Stromrichter über den Zwischenkreis ver­ bunden wird, wie z. B. für eine Konfiguration gemäß Fig. 3 gezeigt, bestehend aus Stromrichter auf der Maschinenseite und auf der Netzseite.

Die Erfindung bezieht sich auf die Anwendung von Steuerverfahren für Pulsstrom­ richter, die eine Reduzierung der Netzrückwirkungen durch Variation der Zwischen­ kreisspannung sowie durch synchrone Steuerung der Stromrichter PWM bewirken. Zusätzlich wird durch die Variation des Zwischenkreises die Belastung der am Zwi­ schenkreis aktiven Bauelemente reduziert, und durch die Anwendung synchroni­ sierter Stromrichter gemäß Fig. 3. erfolgt eine Minderung von Spannungserhöhun­ gen durch Resonanzen, die an Kabeln oder durch Elektromaschinen wegen deren parasitärer Kapazitäten entstehen können.

Bekanntermaßen sind die Netzrückwirkungen im Bereich der Pulsfrequenz und de­ ren Vielfache abhängig von der Größe der Zwischenkreisspannung "Ud" wie in " [1] Jenni, Wüst, Steuerverfahren für selbstgeführte Stromrichter" auf Seite 117 und folgenden beschrieben. Stand der Technik ist es die Zwischenkreisspannung "Ud" unabhängig vom Netzstrom und von der Netzspannung auf einen konstanten Wert zu regeln. Dies bedeutet, daß die Höhe der Zwischenkreisspannung für den Fall maximaler Netzspannung und für maximalen Spannungsabfall über der Netzdrossel L_S ausgelegt werden muß, und bei diesen Werten auch die Netzrückwirkungen mi­ nimal werden. Nachteilig ist dabei, daß dieses Verfahren bei reduzierter Phasen­ spannung oder kleineren Strömen zu unnötig hohen Netz-Oberschwingungen führt.

Das der Erfindung zu Grunde liegende Verfahren vermeidet diesen Nachteil da­ durch, daß die Höhe des Zwischenkreises in Abhängigkeit von der am Stromrichter anliegenden Phasenspannung, sowie des jeweiligen Arbeitspunktes gesteuert wird. Die Zwischenkreisspannung wird dabei so geregelt, daß die Höhe gerade ausreicht, um die aktuell benötigte Stellgröße für die Netzspannung auszugeben. Der Strom­ richter wird dadurch immer annähernd mit maximalem Modulationsgrad betrieben. Die Differenz zwischen der zum sicheren Betrieb benötigten Zwischenkreisspannung "Ud" wird im Reglerprogramm erfaßt und zu Null bzw. einer erforderlichen Stellre­ serve geregelt, die insbesondere bei dynamischer Laständerung benötigt wird. Somit wird eine Beeinflußung der Netzrückwirkungen durch Unterschiede in der Hö­ he der Netzspannung, sowie durch unterschiedliche Belastung der Stromrichter, vermieden.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens der variablen Zwischenkreisspannung ist die Reduzierung der Spannungsbelastung sowie der Stromanstiege im Zwischenkreis, da sich die Spannungsdifferenz des Zwischenkreises zu der am netzseitigen oder maschinenseitigen Stromrichter anliegenden Spannung reduziert.

Der Erfindung liegt weiterhin zu Grunde, daß Netzrückwirkungen reduziert werden können, durch Synchronisierung der PWM zwischen maschinen- und netzseitigen Pulsstromrichtern, und dies gleichzeitig zur Verminderung von Resonanzen und Spannungs-Überhöhungen an drehstromseitig angeschlossenen Verbrauchern führt.

Die Probleme von Stromrichtern mit Gleichspannungszwischenkreis gemäß Fig. 2. die über den Zwischenkreis verbunden sind, bestehen durch zusätzliche Verkopp­ lung parasitärer Impedanzen des Nullsystems, wobei die Größe abhängig ist vom Typ der angeschlossenen Leitungen, von der Art und Dimensionierung der einge­ setzten Filterelemente, sowie von der Sternpunktbehandlung von Transformatoren und Maschinen.

In Fig. 2 ist dies am Beispiel einer Kombination eines Netz- und eines Maschinen­ stromrichters verdeutlicht. Da der Sternpunkt des Netztransformators geerdet ist fließt über die parasitäre Kapazität C₀ ein Strom gegen Erde. Ähnliche Bedingun­ gen entstehen bei Kabeln durch deren Kapazität gegen Erde.

Haben die einzelnen Stromrichter unterschiedliche Schaltzustände, treibt die Zwi­ schenkreisspannung einen Strom durch C₀. Da Induktivitäten und Kapazitäten Schwingkreise bilden, kann dies zu unzulässigen Spannungen und Strömen führen, die eine Beschädigung von Anlagenteilen, z. B. der Wicklungs-Isolation einer Elektromaschine, verursachen können.

Außerdem verschlechtern die Ableitströme den Wirkungsgrad der Maschine und des Umrichters, was durch die Anordnung ebenfalls vermieden wird.

Eine verstärkte Anregung für eine Spannungserhöhung entsteht, wenn die Strom­ richter der Netz- und Maschinenseite unterschiedliche Nullzustände haben, die De­ finition der Nullzustände wird in [1] Seite 158 beschrieben. Die größte Anregung wird verursacht wenn bei einem Stromrichter die 3 oberen Ventile eingeschaltet sind und beim anderen Stromrichter die 3 unteren gemäß Fig. 3.

Durch die Verwendung von Stromrichtern deren Schaltzustände für die Pulsweiten­ modulation beider Wechselrichter nach einem festen Muster innerhalb einer Pul­ speriode aufeinander folgen und deren Pulsperioden zueinander synchronisiert sind, wird diese Situation vermieden. Die kritische Schaltkombination der Wechselrichter, bestehend aus oberem und unterem Nullzustand, kann dadurch nicht mehr auftre­ ten. Die Kombination gleicher Zustände (keine Anregung des Nullsystems) ist ma­ ximiert.

Als Beispiel einer Pulsperiode kann die Abfolge folgender Schaltzustände eines Pulsstromrichters beschrieben werden.

oberer Nullzustand, aktiver Spannungszustand a, aktiver Spannungszustand b unterer Nullzustand, aktiver Spannungszustand b, aktiver Spannungszustand a, oberer Nullzustand.

Grundsätzliche Voraussetzung für dieses Verfahren ist es, daß alle über einen Zwi­ schenkreis verbundenen Stromrichter wie z. B. in Fig. 3 gezeigt, mit identischer Taktfrequenz arbeiten, die wahlweise fest eingestellt oder variabel sein kann.

Kommt es dennoch zu überhöhten Spannungen und Strömen durch Resonanzen, kann mittels zusätzlicher Null-Impedanz das Verhalten beeinflußt werden. Im Bei­ spiel nach Abb. 2, wird C₀ durch eine zusätzliche Kapazität erhöht. Die Resonanz­ frequenz wird dadurch in weniger angeregte Bereiche verschoben und reduziert die Gesamt-Ableitströme bei gleichzeitiger weiterer Absenkung überhöhter Spannun­ gen.

Claims (8)

1. Verfahren zum Betrieb von Pulsumrichtern mit DC-Spannungszwischenkreis, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Minderung der Anregung drehstromseitiger Span­ nungs- und Stromresonanzen durch parasitäre Impedanzen, mindestens 2 im Zwi­ schenkreis parallele Stromrichter mittels taktsynchroner PWM betrieben werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die PWM so gesteu­ ert wird, daß die Abfolgen der Schaltzustände nach einem festen Muster innerhalb einer Pulsperiode zueinander synchronisiert sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfolgen der Schaltzustände aller Stromrichter immer zum selben Zeitpunkt und mit dem sel­ ben Nullzustand eine Pulsperiode beginnen müssen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzen durch Einfügen zusätzlicher Impedanzen zwischen Sternpunkt und Erde gedämpft werden können.

5. Verfahren zum Betrieb von mindestens einem Pulsumrichter, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zwischenkreisspannung in Abhängigkeit der Netzspannung so va­ riiert wird, daß die Höhe gerade ausreicht um den Stromrichter mit maximalem oder annähernd maximalem Modulationsgrad zu betrieben.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischen­ kreisspannung in Abhängigkeit des Stromrichter-Arbeitspunktes nachgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Span­ nungs- und Strombelastung der am Zwischenkreis aktiven Komponenten reduziert.

8. Verfahren nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Netz­ rückwirkungen verringern.