DE102005004697A1 - Single phase four-quadrant chopper load and impedance currents determining method for railway vehicle, involves separating rectifier circuit output current as load and impedance currents by band pass filter/estimation algorithm - Google Patents

Single phase four-quadrant chopper load and impedance currents determining method for railway vehicle, involves separating rectifier circuit output current as load and impedance currents by band pass filter/estimation algorithm Download PDF

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Abstract

The method involves connecting a four-quadrant chopper to an alternating voltage source from which an input current fed to the chopper. A rectifier circuit (4) of the chopper outputs a current which is separated as a load current and an impedance current by a band pass filter or an estimation algorithm e.g. least-square estimation algorithm, in an online manner. The output current is computed from the phase control factor of the chopper and the input current.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren bei Vier-Quadrantenstellern gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 zur Ermittlung des Laststromes IL und des Saugkreisstromes IS aus dem Ausgangsstrom IA.The invention relates to a method in four-quadrant controllers according to the preamble of claim 1 for determining the load current I L and the Saugkreisstromes I S from the output current I A.

Die Verwendung von Vier-Quadrantenstellern, die zur Gleichrichtung eines Wechselstromes eingesetzt werden, ist hinlänglich bekannt. Ebenfalls bekannt ist die Verwendung dieser Vier- Quadrantensteller für die Bereitstellung einer Eingangsspannung für geregelte elektrische Antriebe, insbesondere bei Bahnfahrzeugen.The Use of four-quadrant actuators, which are used to rectify a AC are used, is well known. Also known is the use of these four-quadrant controllers for deployment an input voltage for Controlled electric drives, in particular for railway vehicles.

Auch bekannt ist der im Oberbegriff von Patentanspruch 1 beschriebene Aufbau des Vier- Quadrantenstellers, im Sinne der Erfindung bestehend aus einer Brücke aus steuerbaren Halbleiterventilen, einer Zwischenkreiskapazität und einem Saugkreis mit den Elementen Saugkreiskapazität und Saugkreisinduktivität. Die Steuerung und Überwachung einer solchen Schaltung ist ebenfalls bekannt. Für Steuerungs- und Überwachungszwecke ist sowohl die Kenntnis über den aktuellen Wert des Stromes IS als auch über den des Stromes IL, welcher den Eingangsstrom für den elektrischen Antrieb darstellt, von Interesse. Benötigt werden die aktuellen Werte dieser Ströme beispielsweise für die Überwachung auf einen Kurzschluss, die Überwachung auf unerwartete Werte, den Schutz vor Überlastung des Saugkreises, den Schutz vor Überlastung der angeschlossenen Last, eine Vorsteuerung des Vier-Quadrantenstellers durch Berücksichtigung des Laststromes IL in der Steuerung und für eine Plausibilitätsprüfung, um daraus Fehler in der Messwerterfassung zu erkennen. Für die Kenntnisnahme dieser Ströme müssen nach bisheriger Technik beide Ströme mit separaten Sensoren gemessen werden. Durch diese Sensoren wird der schaltungstechnische Aufwand erhöht.Also known is the structure of the four-quadrant actuator described in the preamble of claim 1, in the context of the invention consisting of a bridge of controllable semiconductor valves, a DC link capacitance and a absorption circuit with the elements Saugkreiskapazität and Saugkreisinduktivität. The control and monitoring of such a circuit is also known. For control and monitoring purposes, both the knowledge about the current value of the current I S and that of the current I L , which represents the input current for the electric drive, is of interest. The current values of these currents are needed, for example, for monitoring for a short circuit, monitoring for unexpected values, protection against overloading of the absorption circuit, protection against overloading of the connected load, pre-control of the four-quadrant actuator by taking the load current I L into account Control and for a plausibility check in order to detect errors in the measured value acquisition. To take note of these currents, according to the prior art, both currents must be measured with separate sensors. By these sensors, the circuitry complexity is increased.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, welches unter möglichst geringem schaltungstechnischem Aufwand online die Ermittlung des Laststromes und des Saugkreisstromes leistet.The The object of the invention is to provide a method which under as possible low circuit complexity online the determination of the Load current and the Saugkreisstromes makes.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen aus dem kennzeichnenden Teil von Patentanspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.The solution This object is achieved according to the invention with the features of characterizing part of claim 1. Advantageous developments of the invention are in the dependent claims described.

Der Kern der Erfindung besteht darin, aus dem Ausgangsstrom IA des Gleichrichters den Laststrom IL und den Saugkreisstrom IS zu separieren.The essence of the invention is to separate the load current I L and the absorption circuit current I S from the output current I A of the rectifier.

Die Erfindung soll anhand der 1–5 näher erläutert werden. Es zeigen:The invention is based on the 1 - 5 be explained in more detail. Show it:

1 eine schematische Darstellung eines möglichen Ausführungsbeispieles eines einphasigen Vier-Quadrantenstellers; 1 a schematic representation of a possible embodiment of a single-phase four-quadrant actuator;

2 eine schematische Darstellung der Ermittlung des Laststromes IL und des Saugkreisstromes IS mittels Bandpass; 2 a schematic representation of the determination of the load current I L and the Saugkreisstromes I S by means of bandpass;

3 eine schematische Darstellung der Ermittlung des Laststromes IL und des Saugkreisstromes IS durch einen Estimationsalgorithmus; 3 a schematic representation of the determination of the load current I L and the Saugkreisstromes I S by an estimation algorithm;

4 eine schematische Darstellung der Ermittlung des Laststromes IL und des Saugkreisstromes IS unter Verwendung des Aussteuergrads a und des gemessenen Wertes des Eingangsstromes I4QS; 4 a schematic representation of the determination of the load current I L and the Saugkreisstromes I S using the Aussteuergrads a and the measured value of the input current I 4QS ;

5 eine schematische Darstellung der Ermittlung des Laststromes IL und des Saugkreisstromes IS unter Verwendung des Aussteuergrads a und des Grundschwingungsanteiles des Eingangsstromes I4QS. 5 a schematic representation of the determination of the load current I L and the Saugkreisstromes I S using the Aussteuergrads a and the fundamental component of the input current I 4QS .

In der 1 ist der Vier-Quadrantensteller schematisch dargestellt. Der Vier-Quadrantensteller findet hierbei seine Anwendung als Eingangsstromrichter einer größeren Last auf einem Bahnfahrzeug, welches unter einer Wechselstromfahrleitung 1 betrieben wird. In diesem Schaltbild wird die Wechselspannung der Wechselstromfahrleitung 1 durch einen Transformator 3, der für den Betrieb eines Vier-Quadrantenstellers ausgelegt ist, auf niedrigere Werte heruntergespannt. Dem Transformator 3 nachgeschaltet ist eine Gleichrichterschaltung 4, die in dieser Ausführungsart aus steuerbaren IGBT-Halbleiterventilen 4.1 aufgebaut ist, da diese dem gegenwärtigen Stand der Technik entsprechen. Es ist jedoch auch jede andere Art von Stromrichterventilen denkbar. Die Gleichrichterschaltung 4 richtet die an ihrem Eingang anliegende, vom Transformator ausgehende Wechselspannung gleich. Aufgrund der Ansteuerung der Ventile kann die Energie sowohl zur Last hin als auch von der Last weg in das Netz zurückgespeist werden, so dass ein Vier-Quadrantenbetrieb möglich ist. Der aus dem Transformator 3 ausgehende und in die Gleichrichterschaltung 4 eingehende Eingangsstrom I4QS ist dabei nahezu sinusförmig und wird von einem Stromsensor 9 gemessen.In the 1 the four-quadrant is shown schematically. The four-quadrant actuator finds its application as an input converter of a larger load on a railway vehicle, which under an alternating current line 1 is operated. In this diagram, the AC voltage of the AC power line is 1 through a transformer 3 , which is designed for the operation of a four-quadrant controller, reduced to lower values. The transformer 3 downstream is a rectifier circuit 4 , which in this embodiment of controllable IGBT semiconductor valves 4.1 is built, since this correspond to the current state of the art. However, any other type of converter valves is conceivable. The rectifier circuit 4 aligns the AC voltage applied to its input and output from the transformer. Due to the control of the valves, the energy can be fed back to the grid both to the load and away from the load, so that a four-quadrant operation is possible. The one from the transformer 3 outgoing and into the rectifier circuit 4 incoming input current I 4QS is almost sinusoidal and is powered by a current sensor 9 measured.

Der Gleichrichterschaltung 4 nachgeschaltet ist ein Spannungszwischenkreis 5 mit einer Zwischenkreiskapazität 5.1, welcher die Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung 4 glättet. Da Eingangsspannung und -strom sinusförmig sind, gleiche Grundfrequenz haben und der Stromrichter keine nennenswerte Energie speichern kann, setzt sich seine Ausgangsleistung im wesentlichen aus einem Gleichanteil und einem Wechselanteil mit doppelter Netzfrequenz zusammen. Da für die überschlägigen Betrachtungen die Zwischenkreisspannung UDC als konstant angenommen werden kann, besteht auch der Strom IA im Wesentlichen aus einem Gleichanteil und einem Wechselanteil mit doppelter Netzfrequenz.The rectifier circuit 4 Downstream is a voltage intermediate circuit 5 with a DC link capacity 5.1 , which is the output voltage of the rectifier circuit 4 smoothes. Since input voltage and current are sinusoidal, have the same fundamental frequency and the power converter can store no significant energy, its output power is composed essentially of a DC component and a double-frequency alternating component. Since the intermediate circuit voltage U DC can be assumed to be constant for the approximate considerations, the current I A also consists essentially of a DC component and an AC component with a double mains frequency.

Dem Zwischenkreis parallelgeschaltet ist ein Saugkreis 6, bestehend aus einer Saugkreiskapazität 6.1 und einer Saugkreisinduktivität 6.2. Der Saugkreis schließt den Anteil mit doppelter Netzfrequenz kurz, damit die Zwischenkreiskapazität 5.1 nicht übermäßig groß werden muss und die Zwischenkreisspannung trotzdem annähernd konstant bleibt. Im Saugkreis 6 fließt der Saugkreisstrom IS, der ein reiner Wechselstrom mit doppelter Netzfrequenz ist.Connected in parallel to the intermediate circuit is a absorption circuit 6 , consisting of a Saugkreiskapazität 6.1 and a Saugkreisinduktivität 6.2 , The absorption circuit short-circuits the double-frequency component so that the DC link capacitance 5.1 does not have to be excessively large and the DC link voltage still remains approximately constant. In the absorption circle 6 flows the Saugkreisstrom I S , which is a pure AC power with twice the mains frequency.

Am Vier-Quadrantensteller angeschlossen ist die elektrische Last 7. Der Laststrom IL besteht hauptsächlich aus einer Gleichkomponente.The electrical load is connected to the four-quadrant controller 7 , The load current I L consists mainly of a DC component.

Am Knotenpunkt 8 teilt sich der Ausgangsstrom IA in den Lastrom IL und den Saugkreisstrom IS auf.At the junction 8th the output current I A divides into the load current I L and the absorption circuit current I S.

Die 2–5 zeigen die verschiedenen Möglichkeiten der Ermittlung des Laststromes IL und des Saugkreisstromes IS.The 2 - 5 show the different ways of determining the load current I L and the Saugkreisstromes I S.

Es stellt sich zuerst die Frage, inwieweit der Ausgangstrom IA bekannt ist. Zum Einen kann der Strom IA mit einem Stromsensor 9 gemessen werden. Somit reduziert sich bereits die Anzahl der benötigten Stromsensoren um eins. Zum Anderen bietet es sich an, um auch diesen Stromsensor 9 einzusparen, auch den Strom IA aus anderen, bekannten Größen zu ermitteln, wie in 4 dargestellt. Als bekannte Größen dienen dazu der gemessene Eingangstrom I4QS des Vier-Quadrantenstellers sowie der Wert des Aussteuergrads a. Der Strom I4QS muss aus regelungs- und überwachungstechnischen Gründen ohnehin gemessen werden und liegt als Messwert in der Steuerung vor. Der Aussteuergrad a, der Werte zwischen –1 und 1 annehmen kann, ist als Quotient aus der Gleichrichter-Eingangswechselspannung und der gleichgerichteten Ausgangsspannung definiert. Durch den Aussteuergrad a können die Eingangsspannung und der Eingangsstrom I4QS des Vier-Quadrantenstellers über Pulsweitenmodulation eingestellt werden. Dieser Wert liegt in der Steuerung vor, da aus diesem Wert üblicherweise die Schaltsignale für die Halbleiterventile gebildet werden.The question arises to what extent the output current I A is known. On the one hand, the current I A with a current sensor 9 be measured. This already reduces the number of required current sensors by one. On the other hand, it makes sense to include this current sensor 9 to also reduce the current I A from other known quantities, as in 4 shown. The measured input current I 4QS of the four-quadrant controller and the value of the modulation factor a serve as known quantities. For reasons of control and monitoring, the current I 4QS must be measured anyway and is available as a measured value in the control system. The Aussteuergrad a, which can take values between -1 and 1, is defined as the quotient of the rectifier input AC voltage and the rectified output voltage. By the Aussteuergrad a, the input voltage and the input current I 4QS of the four-quadrant actuator can be adjusted via pulse width modulation. This value is present in the control since the switching signals for the semiconductor valves are usually formed from this value.

Der Ermittlung des Ausgangsstromes IA liegt nun zugrunde, dass der Gleichanteil 0IA und der Anteil mit doppelter Netzfrequenz 2IA des ausgangsseitigen Stromes IA sich aus dem Grundschwingungsanteil 1I4QS des Eingangsstromes I4QS und aus dem Grundschwingungsanteil Ia des Aussteuergrades a des Vier-Quadrantenstellers berechnen lassen, wobei ϕ1 und ϕ2 die Phasenwinkel des Aussteuergrades a und des Eingangsstromes I4QS darstellen:

Figure 00060001
The determination of the output current I A is based on that the DC component 0 I A and the share with double mains frequency 2 I A of the output side current I A from the fundamental component 1 I 4QS of the input current I 4QS and from the fundamental component I a of Aussteuergrades a of the four-quadrant controller, where φ 1 and φ 2 represent the phase angles of the modulation level a and of the input current I 4QS :
Figure 00060001

Der Grundschwingungsanteil 1I4QS des Eingangsstromes I4QS kann aus dem Eingangsstrom I4QS entweder über eine Fouriertransformation, über einen vorgeschalteten Filter oder über ein Estimationsverfahren, wie beispielsweise das Least-Squares-Estimation-Verfahren ermittelt werden, wie in 5 dargestellt. Es entsteht kein großer Fehler, wenn statt des Grundschwingungsanteil 1I4QS der aktuelle Messwert des Eingangsstromes I4QS verwendet wird. Gleiches gilt, wenn statt des Grundschwingungsanteils 1a der tatsächliche Aussteuergrad a verwendet wird.The fundamental component 1 I 4QS of the input current I 4QS can be determined from the input current I 4QS either via a Fourier transformation, via an upstream filter or via an estimation method, such as the least squares estimation method, as in FIG 5 shown. There is no great error if, instead of the fundamental component 1 I 4QS, the current measured value of the input current I 4QS is used. The same applies if, instead of the fundamental oscillation component 1 a, the actual modulation factor a is used.

Der Ausgangsstrom IA lässt sich also entweder direkt messen oder er lässt sich aus dem Eingangsstrom I4QS und dem Aussteuergrad a ermitteln. Somit wird eine Ermittlung des Laststromes IL und des Saugkreisstromes IS möglich. Für die Ermittlung dieser Ströme bieten sich zwei Möglichkeiten an: die Anwendung eines Bandpasses oder die Anwendung eines Estimationsalgorithmus.The output current I A can therefore either be measured directly or it can be determined from the input current I 4QS and the modulation level a. Thus, a determination of the load current I L and the Saugkreisstromes I S is possible. There are two possibilities for determining these currents: the application of a bandpass or the application of an estimation algorithm.

Bei der Verwendung eines Bandpasses, wie in 2 dargestellt, wird der ermittelte Ausgangsstrom IA über einen Bandpass, dessen Mittenfrequenz der Resonanzfrequenz des Saugkreises entspricht, geführt. Das Ausgangssignal des Bandpasses entspricht dann dem Saugkreisstrom IS. Der Laststrom IL lässt sich nun aus der Differenz vom gesamten Ausgangsstrom IA und Saugkreisstrom IS ermitteln. Der Bandpass kann auf verschiedene Weisen realisiert sein, beispielsweise als analoge elektronische Schaltung oder als zeitdiskrete Signalverarbeitung in einem Digitalrechner. Bei der Verwendung, wie in 3 dargestellt, eines Estimationsalgorithmus, wie beispielsweise dem Verfahren der Least Squares Estimation, wird direkt aus dem ermittelten Ausgangsstrom IA der geschätzte Anteil mit der Frequenz des Saugkreises, der dem Strom IS durch den Saugkreis entspricht und den geschätzten Gleichanteil, der dem Laststrom IL entspricht, geliefert. Somit sind nun der Laststrom IL und der Saugkreisstrom IS bekannt und können für die oben beschriebenen Zwecke der Steuerung und Überwachung verwendet werden.When using a bandpass, as in 2 represented, the determined output current I A via a bandpass whose center frequency corresponds to the resonant frequency of the absorption circuit, out. The output signal of the bandpass then corresponds to the absorption circuit current I S. The load current I L can now be determined from the difference between the total output current I A and the absorption circuit current I S. The bandpass can be realized in various ways, for example as analog electronic circuit or as discrete-time signal processing in a digital computer. When using, as in 3 represented, an estimation algorithm, such as the method of least squares estimation, directly from the determined output current I A, the estimated proportion with the frequency of the absorption circuit, which corresponds to the current I S through the absorption circuit and the estimated DC component, the load current I L corresponds, delivered. Thus, the load current I L and the Saugkreisstrom I S are now known and can be used for the purposes of control and monitoring described above.

Claims (12)

Verfahren zur Ermittlung von Laststrom und Saugkreisstrom bei einphasigen Vier-Quadrantenstellern, insbesondere bei Einspeisestromrichtern auf Bahnfahrzeugen, die unter Wechselstromfahrleitung betrieben werden, a. wobei dem Vier-Quadrantensteller eine Wechselspannungsquelle, aus der ein Eingangsstrom in den Vier-Quadrantensteller eingeht, vorgeschaltet ist, b. wobei der Vier-Quadrantensteller eine Gleichrichterschaltung mit einem Zwischenkreis, der mindestens eine Kapazität enthält, aufweist, c. wobei dem Vier-Quadrantensteller eine elektrische Last, insbesondere ein elektrischer Antrieb, nachgeschaltet ist, d. wobei zu dem Zwischenkreis ein Saugkreis, bestehend aus mindestens einer Saugkreiskapazität und mindestens einer Saugkreisinduktivität, parallelgeschaltet ist, und e. wobei aus dem Gleichrichter ein Ausgangsstrom IA ausgeht, welcher sich in einen Laststrom IL und einen Saugkreisstrom IS teilt, dadurch gekennzeichnet, f. dass der Laststrom IL und der Saugkreisstrom IS aus dem Ausgangsstrom IA separiert werden und g. dass diese Separierung online geschieht.Method for determining load current and absorption circuit current in single-phase four-quadrant actuators, in particular in feed-in converters on railway vehicles operated under alternating current conduction, a. wherein the four-quadrant controller is preceded by an AC voltage source, from which an input current enters the four-quadrant controller, b. wherein the four-quadrant controller comprises a rectifier circuit having a DC link containing at least one capacitor, c. wherein the four-quadrant adjuster an electrical load, in particular an electric drive, is connected downstream, d. wherein to the intermediate circuit, a suction circuit, consisting of at least one Saugkreiskapazität and at least one Saugkreisinduktivität, connected in parallel, and e. wherein an output current I A originates from the rectifier, which divides into a load current I L and a absorption circuit current I S , characterized in that f. that the load current I L and the absorption circuit current I S are separated from the output current I A and g. that this separation happens online. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Separierung durch Filterung mittels Bandpass, dessen Mittenfrequenz im Bereich der Resonanzfrequenz des Saugkreises liegt, erfolgt.Method according to claim 1, characterized in that that the separation by filtering by means of bandpass whose center frequency is in the range of the resonant frequency of the absorption circuit takes place. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bandpassfilter als analoge elektrische Schaltung ausgebildet ist.Method according to claim 2, characterized in that that the bandpass filter is designed as an analog electrical circuit is. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bandpassfilter als zeitdiskrete Signalverarbeitung in einem Digitalrechner ausgebildet ist.Method according to claim 2, characterized in that that the bandpass filter as discrete-time signal processing in one Digital computer is designed. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Separierung durch Schätzung unter Anwendung eines Estimationsalgorithmus erfolgt.Method according to claim 1, characterized in that that the separation by estimate using an estimation algorithm. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Estimationsalgorithmus als Least-Squares-Estimation ausgebildet ist.Method according to claim 5, characterized in that that the estimation algorithm is designed as least-squares-estimation is. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsstrom IA mittels Stromsensor gemessen wird.Method according to one or more of claims 1 to 6, characterized in that the output current I A is measured by means of current sensor. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsstrom IA aus dem Aussteuergrad des Vier-Quadrantensteller und dem Eingangsstrom berechnet wird.Method according to one or more of claims 1 to 6, characterized in that the output current I A is calculated from the Aussteuergrad the four-quadrant controller and the input current. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsstrom IA aus dem Aussteuergrad des Vier-Quadrantensteller und dem Grundschwingungsanteil des Eingangsstroms berechnet wird.Method according to one or more of claims 1 to 6, characterized in that the output current I A is calculated from the Aussteuergrad the four-quadrant controller and the fundamental component of the input current. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundschwingungsanteil des Eingangsstroms aus dem gemessenen zeitlichen Verlauf des Eingangsstromes mittels FFT bestimmt wird.Method according to claim 9, characterized in that that the fundamental component of the input current from the measured temporal course of the input current is determined by FFT. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundschwingungsanteil des Eingangsstroms aus dem gemessenen Verlauf des Eingangsstromes mittels Estimationsverfahren bestimmt wird.Method according to claim 9, characterized in that that the fundamental component of the input current from the measured Course of the input current determined by Estimationsverfahren becomes. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Estimationsalgorithmus als Least-Squares-Estimation ausgebildet ist.Method according to claim 11, characterized in that that the estimation algorithm is designed as least-squares-estimation is.
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