DE102011076162A1

DE102011076162A1 - Stromrichterschaltung

Info

Publication number: DE102011076162A1
Application number: DE201110076162
Authority: DE
Inventors: Franz Wöhrer; Franz Hackl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-06-28
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2011-12-29
Also published as: AT510120A1; AT510120B1

Abstract

Stromrichterschaltung zur Erzeugung eines zwölfpulsigen Ankerstromes einer Gleichstrommaschine (3), umfassend zwei sechspulsige Stromrichter (1, 2), welche über Glättungsdrosseln (4, 5) in Form eines T-Gliedes zusammengeschaltet sind und wobei jeder Stromrichter (1 bzw. 2) mittels eines Stromreglers angesteuert ist, wobei parallel zu den Stromreglern beide Stromrichter (1, 2) gemeinsam mit einer Zwölfpuls-Vorsteuerung (6) in der Weise angesteuert sind, dass jedem Stromrichter (1 bzw. 2) ein Stellgrößensignal zugeführt ist, welches durch Addition des Ausgangssignals des dazugehörigen Stromreglers und des Ausgangssignals (Sig) der Zwölfpuls-Vorsteuerung (6) gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromrichterschaltung zur Erzeugung eines zwölfpulsigen Ankerstromes einer Gleichstrommaschine, umfassend zwei sechspulsige Stromrichter, welche über Glättungsdrosseln in Form eines T-Gliedes zusammengeschaltet sind und wobei jeder Stromrichter mittels eines Stromreglers angesteuert ist.
Die gegenständliche Schaltungsanordnung in Form eines T-Gliedes besteht aus zwei Stromrichtern, welche über Glättungsinduktivitäten, die auch magnetisch gekoppelt sein können (Saugdrossel, interphase reactor), eine Gleichstrommaschine speisen. Die elektrische Speisung der als netzgeführte Thyristor-Brückenschaltungen ausgeführten Stromrichter erfolgt von zwei um 30 Grad phasenverschobenen Drehstromsystemen. Bei Speisung mit zwei sechspulsigen Stromrichtern entsteht im Motor ein zwölfpulsiger Ankerstrom. Im Folgenden wird die Schaltungsanordnung als Zwölfpuls-Parallelsystem bezeichnet.
Je nach Anwendung wird entweder der Ankerstrom der Gleichstrommaschine oder die Drehzahl der Gleichstrommaschine auf einen vorgegebenen Sollwert geregelt. Im Falle der Drehzahlregelung ist dem Drehzahlregler eine Stromregelung unterlagert. In beiden Fällen müssen also die beiden Stromrichter-Ausgangsströme geregelt werden, welche in Summe den Ankerstrom der Gleichstrommaschine ergeben. Dazu ist jedem Stromrichter eine Stromregelung zugeordnet.
Es ist wichtig, dass die beiden Stromrichter-Ausgangsströme möglichst gut den vorgegeben Stromsollwerten folgen, um eine möglichst gute Regeldynamik des Gesamtsystems zu erreichen und um z. B. eine Überlastung des Motors und der Stromrichter auch bei Sollwert- oder Last-Stößen zu vermeiden.
Die vorliegende Aufgabe besteht darin, eine Stromrichterschaltung und ein Betriebsverfahren anzugeben, um eine schnelle und genaue Stromregelung für ein Zwölfpuls-Parallelsystem sicherzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Stromrichterschaltung gemäß Anspruch 1 und ein Betriebsverfahren gemäß Anspruch 6. Weiterbildungen sind in abhängigen Ansprüchen angegeben.
Dabei sind parallel zu den Stromreglern beide Stromrichter gemeinsam mit einer Zwölfpuls-Vorsteuerung in der Weise angesteuert, dass jedem Stromrichter ein Stellgrößensignal zugeführt ist, welches durch Addition des Ausgangssignals des dazugehörigen Stromreglers und des Ausgangssignals der Zwölfpuls-Vorsteuerung gebildet ist.
Zudem ist vorgesehen, dass der Zwölfpuls-Vorsteuerung als eingestellte Eingangsparameter ein Ankerkreiswiderstandswert und ein Ankerkreisinduktivitätswert sowie ein ohmscher Widerstandswert und ein Induktivitätswert der Glättungsdrosseln vorgegeben sind. Da moderne Regelungen üblicherweise digital realisiert sind, steht nur begrenzte Rechenzeit für die Ermittlung des Ausgangs der Vorsteuerung zur Verfügung. Die verwendete Vorsteuerungs-Funktion muss außerdem möglichst gut an die Realität angepasst werden, sonst funktioniert die Stromregelung nicht richtig. Diese Funktion hängt von den Widerstands- und Induktivitätswerten der Schaltungs-Anordnung ab. Die Vorsteuerung soll für den Anwender auch möglichst leicht an die Realität anpassbar, d. h. parametrierbar, sein. Es ist deshalb sinnvoll, wenn die eingestellten Widerstands- und Induktivitätswerte mittels einer Bedieneinrichtung veränderbar sind.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die Zwölfpuls-Vorsteuerung einen Mikrocontroller zur Erzeugung des Ausgangssignals mittels eines bestimmten Algorithmus umfasst. Die Vorsteuerung benötigt die Gegenspannung des Motors (Elektromotorische Kraft, EMK) als Eingangsgröße und liefert bei bekannten Widerstands- und Induktivitätswerten der Schaltungs-Anordnung für einen bestimmten vorgegebenen Ankerstromsollwert am Vorsteuerungs-Ausgang für den netzgeführten Thyristor-Stromrichter jenen Steuerwinkel, bei welchem sich im Stationärbetrieb ein Ankerstromistwert in Höhe des Ankerstromsollwerts einstellt. Die Vorsteuerung arbeitet dann ideal, wenn im Stationärbetrieb der Ausgang des Stromreglers im Stationärbetrieb etwa null ist, d. h. keinerlei Fehler der Vorsteuerung korrigieren muss. Eine explizite Berechnung des Ausgangs der Vorsteuerung, also des Steuerwinkels, ist lediglich für nichtlückenden Stromrichterstrom möglich. Für den lückenden Bereich des Stromrichterstromes wird der Ausgang der Vorsteuerung näherungsweise bestimmt.
Eine Möglichkeit ist eine iterative Berechnung, eine andere Möglichkeit die Verwendung von in Festwertspeichern abgelegten Funktions-Zusammenhängen. Deshalb ist es von Vorteil, wenn die Zwölfpuls-Vorsteuerung einen Festwertspeicher umfasst, in dem in Form von Stützwerttabellen Stromflusswinkel in Abhängigkeit des Stromes am Ausgang des jeweiligen Stromrichters abgespeichert sind.
Ein erfindungsgemäßes Betriebsverfahren sieht vor, dass für jeden Stromrichter ein Stellgrößensignal gebildet wird, indem das Ausgangssignal des zu dem jeweiligen Stromrichter gehörenden Stromreglers und das Ausgangssignal der Zwölfpuls-Vorsteuerung addiert werden.
Bei Betrieb einer Gleichstrommaschine an einem Zwölfpuls-Parallelsystem weist der tatsächliche stationäre Zusammenhang zwischen Strom und Steuerwinkel (Ausgangs-Kennlinie, Steuerwinkel als Funktion des Stromsollwertes bei einer bestimmten EMK der Gleichstrommaschine) des jeweiligen Stromrichters 2 Knicke auf. Der eine Knick – bei kleinen Stromwerten – tritt auf, wenn der Ankerstrom der Gleichstrommaschine (dieser ist die Summe der Ausgangsströme der Stromrichter) von lückendem in nichtlückenden Betrieb übergeht. Der zweite Knick – bei wesentlich höheren Stromwerten tritt auf, wenn die beiden Ausgangsströme der Stromrichter von lückendem in nichtlückenden Betrieb übergehen.
Die Realisierung der Vorsteuerung des Stromregelkreises für den Zwölfpuls-Betrieb erfolgt derart, dass neben Ankerkreiswiderstand und Ankerkreisinduktivität auch das Verhältnis zwischen Glättungsinduktivität und Ankerkreisinduktivität als Eingangsparameter verwendet werden.
Insbesondere ist vorgesehen, dass das Ausgangssignal der Zwölfpuls-Vorsteuerung mittels eines Algorithmus aus einem Stromsollwert, dem Ankerkreiswiderstandswert, dem ohmschen Widerstandswert der Glättungsdrosseln, dem Netzspannungsspitzenwert eines Versorgungsnetzes sowie der induzierten Gegenspannung der Gleichstrommaschine gebildet wird und dass bei einem lückenden Strom am Ausgang des jeweiligen Stromrichters ein anderer Algorithmus als bei einem nichtlückenden Strom am Ausgang des jeweiligen Stromrichters zur Anwendung kommt.
Dabei ist es von Vorteil, wenn die Lückgrenze des Stromes am Ausgang des jeweiligen Stromrichters mittels eines Algorithmus aus dem Netzspannungsspitzenwert und der Netzfrequenz des Versorgungsnetzes, dem Ankerkreiswiderstandswert, dem Ankerkreisinduktivitätswert, dem ohmschen Widerstandswert und dem Induktivitätswert der Glättungsdrosseln sowie der induzierten Gegenspannung der Gleichstrommaschine bestimmt wird.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn bei einem lückenden Strom am Ausgang des jeweiligen Stromrichters als eine Zwischengröße ein Stromflusswinkel bestimmt wird, welcher dem vorgegebenen Stromsollwert beziehungsweise einem bestimmten Verhältnis des Stromsollwerts zum Lückgrenzen-Strom entspricht.
Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die Figur erläutert.
1 Prinzipschaltbild der Parallelschaltung zweier 6-pulsiger Drehstrombrückenschaltungen
Eine erste vollgesteuerte Sechspuls-Tyristor-Brückenschaltung 1 ist mit einer zweiten vollgesteuerten Sechspuls-Tyristor-Brückenschaltung 2 in Form eines T-Gliedes zusammengeschaltet. Gespeist werden die Brückenschaltungen 1, 2 aus einem Versorgungsnetz mit zwei um 30 Grad phasenverschobenen Drehstromsystemen U1, V1, W1 bzw. U2, V2, W2. Eine Gleichstrommaschine 3 ist an die Ausgänge C, D der Stromrichter 1, 2 angeschlossen. Die Stromrichterströme i₁ und i₂ fließen dabei über Glättungsdrosseln 4, 5, welche jeweils einen ohmschen Widerstandswert R_s und einen Induktivitätswert L_s aufweisen.
Die Gleichstrommaschine 3 weist einen Ankerkreiswiderstandswert R_a und einen Ankerkreisinduktivitätswert L_a sowie eine induzierte Gegenspannung EMK auf.
Die Ansteuerung der Stromrichter 1, 2 erfolgt mittels einer gemeinsamen Zwölfpuls-Vorsteuerung 6, deren Ausgangssignal Sig beiden Stromrichtern 1, 2 zugeführt ist. Für den Stromregelkreis des jeweiligen Stromrichters 1 bzw. 2 verwendet man eine Struktur, bei welcher die Ausgänge eines jeweiligen Stromreglers und der Zwölfpuls-Vorsteuerung 6 parallel geschaltet sind. Die Summe der Ausgänge ergibt eine Stellgröße zur Ansteuerung der Thyristoren.
Für bestimmte Werte des Verhältnisses zwischen Glättungsinduktivitätswert L_s und Ankerkreisinduktivitätswert L_a sind in einem Festwertspeicher Kennlinien des Stromflusswinkels für den lückenden Stromrichterstrom-Bereich abgelegt, zwischen denen je nach parametriertem Eingangswert des Verhältnisses zwischen Glättungsinduktivitätswert L_s und Ankerkreisinduktivitätswert L_a linear interpoliert wird. Das Vorsteuerungs-Ausgangssignal Sig wird nach einem bestimmten Algorithmus berechnet.
Aus den Eingangsparametern Ankerkreiswiderstandswert R_a, Ankerkreisinduktivitätswert L_a und Verhältnis zwischen Glättungsinduktivitätswert L_s und Ankerkreisinduktivitätswert L_a wird für die gegebene Gegenspannung EMK der Gleichstrommaschine 3, welche neben dem Stromsollwert I_Soll die zweite Eingangsgröße für die Vorsteuerung 6 darstellt, der Wert des Stromrichterstromes an der Lückgrenze bestimmt. Durch Vergleich des Stromsollwertes I_Soll mit dem Wert des Stromrichterstromes an der Lückgrenze kann sodann herausgefunden werden, ob lückender oder nichtlückender Stromrichterstrom i₁ bzw. i₂ vorliegt.
Im Falle des Lückens wird auf die gespeicherten Kennlinien des Stromflusswinkels zugegriffen und ein Stromflusswinkel ermittelt. Über diese Zwischengröße kann nun mittels einer expliziten Formel die Ausgangsgröße der Vorsteuerung 6 berechnet werden.
Im Falle des Nichtlückens kann mittels einer expliziten Formel die Ausgangsgröße der Vorsteuerung 6 sofort berechnet werden.
Im Fall des Nichtlückens wird die Ausgangsgröße der Vorsteuerung 6 exakt berechnet. Im Fall des Lückens wird eine recht gute Annäherung der Ausgangsgröße der Vorsteuerung 6 an die Realität erzielt.
Das Ausgangssignal Sig der Zwölfpuls-Vorsteuerung 6 stellt eine sehr genaue Annäherung an den realen Zusammenhang zwischen Strom und Steuerwinkel dar. Damit wird die Realisierung einer hochdynamischen Stromregelung des Antriebs möglich, welche die Voraussetzung für die Verwirklichung technologischer Prozesse ist (z. B. Papiererzeugung, Walzwerkstechnik).
Die Ermittlung des Ausgangssignals Sig der Zwölfpuls-Vorsteuerung 6 erfolgt mit sehr geringem Berechnungsaufwand und daher sehr schnell. Insbesondere im lückenden Bereich des Stromrichterstromes i₁ bzw. i₂ beschleunigt die Verwendung gespeicherter Kennlinien die Ausgangsgrößenermittlung stark. Die schnelle Ermittlung der Vorsteuerungs-Ausgangsgröße ist wichtig, da in digitalen Echtzeit-Systemen nur eine begrenzte Rechenzeit zur Verfügung steht.
Die Vorsteuerung 6 kann durch Einstellung der drei Form-bestimmenden Parameter sehr leicht an die Realität angepasst werden. Bei nicht bekannten Widerstands- und Induktivitätswerten der Zwölfpuls-Schaltungsanordnung kann das meist Mikrocontroller-gesteuerte Stromrichtergerät 1 bzw. 2 durch entsprechende Parameter-Ermittlungs-Routinen (sog. Automatische Optimierungsläufe) die für die Vorsteuerung 6 maßgeblichen Parameter selbsttätig bestimmen und damit die Inbetriebsetzungszeit des Antriebs wesentlich verkürzen.

Claims

Stromrichterschaltung zur Erzeugung eines zwölfpulsigen Ankerstromes einer Gleichstrommaschine (3), umfassend zwei sechspulsige Stromrichter (1, 2), welche über Glättungsdrosseln (4, 5) in Form eines T-Gliedes zusammengeschaltet sind und wobei jeder Stromrichter (1 bzw. 2) mittels eines Stromreglers angesteuert ist, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu den Stromreglern beide Stromrichter (1, 2) gemeinsam mit einer Zwölfpuls-Vorsteuerung (6) in der Weise angesteuert sind, dass jedem Stromrichter (1 bzw. 2) ein Stellgrößensignal zugeführt ist, welches durch Addition des Ausgangssignals des dazugehörigen Stromreglers und des Ausgangssignals (Sig) der Zwölfpuls-Vorsteuerung (6) gebildet ist.
Stromrichterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwölfpuls-Vorsteuerung (6) als eingestellte Eingangsparameter ein Ankerkreiswiderstandswert (R_a) und ein Ankerkreisinduktivitätswert (L_a) sowie ein ohmscher Widerstandswert (R_s) und ein Induktivitätswert (L_s) der Glättungsdrosseln (4, 5) vorgegeben sind.
Stromrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die eingestellten Widerstands- und Induktivitätswerte (R_a, L_a, R_s, L_s) mittels einer Bedieneinrichtung veränderbar sind.
Stromrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwölfpuls-Vorsteuerung (6) einen Mikrocontroller zur Erzeugung des Ausgangssignals (Sig) mittels eines bestimmten Algorithmus umfasst.
Stromrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwölfpuls-Vorsteuerung (6) einen Festwertspeicher umfasst, in dem in Form von Stützwerttabellen Stromflusswinkel in Abhängigkeit des Stromes (i₁ bzw. i₂) am Ausgang des jeweiligen Stromrichters (1 bzw. 2) abgespeichert sind.
Betriebsverfahren einer Stromrichterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Stromrichter (1 bzw. 2) ein Stellgrößensignal gebildet wird, indem das Ausgangssignal des zu dem jeweiligen Stromrichter (1 bzw. 2) gehörenden Stromreglers und das Ausgangssignal (Sig) der Zwölfpuls-Vorsteuerung (6) addiert werden.
Betriebsverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal (Sig) der Zwölfpuls-Vorsteuerung (6) mittels eines Algorithmus aus einem Stromsollwert (I_soll), dem Ankerkreiswiderstandswert (R_a), dem ohmschen Widerstandswert (R_s) der Glättungsdrosseln (4, 5), dem Netzspannungsspitzenwert eines Versorgungsnetzes sowie der induzierten Gegenspannung (EMK) der Gleichstrommaschine (3) gebildet wird und dass bei einem lückenden Strom am Ausgang des jeweiligen Stromrichters (1 bzw. 2) ein anderer Algorithmus als bei einem nichtlückenden Strom am Ausgang des jeweiligen Stromrichters (1 bzw. 2) zur Anwendung kommt.
Betriebsverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lückgrenze des Stromes am Ausgang des jeweiligen Stromrichters (1 bzw. 2) mittels eines Algorithmus aus dem Netzspannungsspitzenwert und der Netzfrequenz des Versorgungsnetzes, dem Ankerkreiswiderstandswert (R_a), dem Ankerkreisinduktivitätswert (L_a), dem ohmschen Widerstandswert (R_s) und dem Induktivitätswert (L_s) der Glättungsdrosseln (4, 5) sowie der induzierten Gegenspannung (EMK) der Gleichstrommaschine (3) bestimmt wird.
Betriebsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem lückenden Strom am Ausgang des jeweiligen Stromrichters (1 bzw. 2) als eine Zwischengröße ein Stromflusswinkel bestimmt wird, welcher dem vorgegebenen Stromsollwert (I_soll) beziehungsweise einem bestimmten Verhältnis des Stromsollwerts (I_soll) zum Lückgrenzen-Strom entspricht.