DE1921948C3 - Verfahren zur Steuerung von Wechselrichtern mit einer Sicherheitswinkel-Steueranordnung und Steueranordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur Steuerung von Wechselrichtern mit einer Sicherheitswinkel-Steueranordnung und Steueranordnung zur Durchführung des VerfahrensInfo
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- DE1921948C3 DE1921948C3 DE1921948A DE1921948A DE1921948C3 DE 1921948 C3 DE1921948 C3 DE 1921948C3 DE 1921948 A DE1921948 A DE 1921948A DE 1921948 A DE1921948 A DE 1921948A DE 1921948 C3 DE1921948 C3 DE 1921948C3
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung von Wechselrichtern mit einer Sicherheitswinkelsteueranordnung,
wie es im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben ist, sowie auf eine Steueranordnung
(Steuersystem) zur Durchführung des Verfahrens. Ein solches Verfahren ist in der deutschen
Patentschrift 12 26 196 beschrieben.
Die Festlegung des Winkels, bei dem die Ventile des Wechselrichters gezündet werden, erfolgt unter Berücksichtigung
zweier einander widerstreitender Forderungen. Einerseits soll dieser Winkel möglichst klein sein
(also möglichst große gezündete Spannung), um den Blindstrombedarf des Wechselrichters möglichst klein
zu halten. Andererseits darf dieser Winkel mit Rücksicht auf die erforderliche Kommutierungszeit und die
erforderliche Entionisierungszeit der Ventile nicht zu klein gewählt werden, da sonst die Sperrung des Ventils
nicht gewährleistet ist und praktisch ein Kurzschluß entsteht. Dieser mindestens mit Rücksicht auf die
Kommutierung und Entionisierung einzuhaltende Win^
kel ist der sogenannte Sicherheitswinkel, Da die
6S Einhaltung des erforderlichen Sicherheitswinkels die
vorrangige Forderung ist, muß bei einer ungenauen Vorausberechnung des Sicherheitswinkels ein Sicherheitszuschlag
gemacht werden, durch welchen die
unerwünschte Blindleistungsaufnahme vergrößert wird.
Je genauer also der Sicherheitswinkel vorausberechnet werden kann, um so geringer kann der erforderliche
Sicherheitszuschlag gewählt werden, so daß der Blindleistungsbedarf vermindert werden kann.
Das für die richtige Ermittlung des Sicherheitswinkels maßgebende Zeitintegral der Kommutierungsspannung
erstreckt sich bis zum Nulldurchgang der Kommutierungsspannung und muß, da der Zündbefehl spätestens
zu Beginn des Sicherheitswinkels gegeben werden muß, in irgendeiner Weise vorausberechnet werden. Unter
Annahme einer sinusförmigen Kommutierungsspannung ergibt sich rein mathematisch die Integralkurve
bekanntlich als Kosinuskurve. Das läuft für die Ermittlung des Spannungs-Zeitintegrals vor dem
Spani'iungs-Nulldurchgang auf eine Differenzbildung zwischen der Amplitude dieser Kosinuskurve und dem
augenblicklichen Wert derselben in der Nähe ihres Maximums hinaus. Im Falle der DEPS 12 26 196 wird
die Kosinuskurve aus der Spannung des vr m Wechselrichter gespeisten Wechselstromnetzes hergeleitet,
indem man ihr die erforderliche Phasenverschiebung von 90° gibt. Die Phasenverschiebung erhält man mit
Hilfe eines phasendrenenden Netzwerkes. Der Amplitudenwert wird in einem Rechner gebildet, der die
Quadratwurzel aus der Summe der Quadrate der Augenblickswerte der unverschobenen und der um 90°
verschobenen Kommutierungsspannung bildet Dabei wird jedoch der errechnete Wert des Spannungszeitintegrals
infolge der Differenzbildung aus zwei fast gleioh großen Meßwerten ungenau. Insbesondere wird bei
Ausgleichsvorgängen in der Wechselspannung und bei nicht sinusförmiger Spannung ein falscher Zündzeitpunkt
berechnet Weil die Stcuerfunktion außerdem aus einer Spannung gebildet wird, die von den Zündungen
der Ventile beeinflußt wird, erhält man einen inneren zurückgeschalteten Kreis, der Unstabilität verursachen
kann, wpin die Kurzschlußleistung des Netzes nicht
groß genug ist
Ein anderes Verfahren zur Steuerung eines Wechselrichters mit dem kieinstzulässigen Sicherheitswinkel ist
aus der DE-AS 12 46 094 bekannt. Dieses Verfahren arbeitet mit einer Kombination aus einer Steuerung und
einer überlagerten Regelung d's Sicherheitswinkels, wobei die Steuerung für eine schnelle Anpassung des
Sicherheitswinkels und die Regelung für eine möglichst genaue Einstellung des Sicherheitswinkels vorgesehen
ist. Die Steuerung erfolgt in Abhängigkeit vom Gleichstrom und von der Kommutierungsspannung.
Der Zündzeitpunkt wird durch die bekannte Horizon talsteuerung bestimmt, wobei der Schnittpunkt einer
dem Gleichstrom proportionalen Spannung mit einer Wechselspannung den Zündzeitpunkt bestimmt. Die
Wechselspannung ist proportional der Kommutierungsspannung und gegenüber dieser um den kieinstzulässigen
Löschwinkel γα zeitlich vorverlegt. Die überlagerte
Regelung beruht auf einem Vergleich des gemessenen tatsächlichen Löschwinkeis mit dem kieinstzulässigen
Löschwinkel γο. Eine der Differenz dieser beiden
Größen entsprechende Größe wird der zuvor erwähnten Steuerung in der Weise aufgeschaltet, daß die dem
Gleichstrom proportionale Spannung um einen entsprechenden Betrag verändert wird. Dieses bekannte
Verfahren beruht nicht auf einem Vergleich von Spannungszeitflächsn entsprechenden Größen. Viel·
mehr wird darauf vertraut, daß dem sinusförmigen Verlauf einer Kommutierungsspannung bestimmte
Spännüngszeitfläche! entsprechen. Dieses Verfahren reagiert empfindlich gegenüber Abweichungen der
Spannung von der Sinusform. Für die Messung des Istwertes des Löschwinkels muß der Zeitpunkt bestimmt
werden, in welchem der Ventilstrom zu Null wird. Eine solche Messung ist schwierig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuerverfahren der eingangs genannten Art nebst
Durchführungsanordnung zu entwickeln, bei dem das Spannungszeitintegral der Kommutierungsspannung
für den Sicherheitswinkel auch bei Abweichungen der Kurvenform der Kommutierungsspannung von der
idealen Sinusform stets möglichst genau ermittelt wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren der
eingangs genannten Art vorgeschlagen, welches erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs
genannten Merkmale aufweist
Die Ermittlung der noch bis zum Nulldurchgang der Komminierungsspannung verbleibenden Zeit aus einer
Differenzmessung der halben Pciiodendauer und der
seit dem letzten Nulldurchgang verstrichenen Zeit ist sicherer und mit einfacheren Mitteln durchführbar als
die vorstehend beschriebene bekannte Differenzmessung unter Anwendung phasenverschobener Spannungen.
Die Ermittlung des bis zum Spannungs-Nulldurchgang verbleibenden Spannungs-Zeitintegrales ist so
lange exakt, wie man mit einer linearen Abnahme der Kommutierungsspannung im noch verbleibenden Teil
der Spannungskurve rechnen kann. Ein auf Grund dieser Messung etwa noch verbleibender Fehler wird
am Ende jedes Kommutierungsvorganges ermittelt und als Korrekturgröße bereits beim folgenden Kommutierungsvorgang
berücksichtigt. Damit ist der Einfluß von Abweichungen in der Kurvenform der Kommutierungsspannung bis auf den geringen Betrag beseitigt der auf
Änderungen der Kurvenform innerhalb einer einzigen Wechselspannungsperiode beruht
Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens weist erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des
Anspruchs 2 genannten Merkmale auf. Die dabei verwendeten elektronischen Rechner sind allgemein
bekannt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung zur Durchführung des Verfahrens sind in den Ansprüchen
3—7 genannt und werden im Rahmen der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung
erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen mit Ausnahme von einigen Einzelheiten
der Steueranordnung bekannten Wechselrichter,
F i g. 2 und 3 eine erfindungsgemäße Steueranordnung zur Sicherung des erforderlichen Mindestwertes
der Spännüngszeitfläche und
r i g. 4 und 5 Spannungskurven zur Erklärung der Funktion der Anordnung.
F i g I zeigt einen einphasigen Wechselrichter mit der Pulszahl 2 mit zwei Ventilen 1 und 2 und einem Stromrichtertransformator mit einer Ventilwicklung 3 und einer Netzwicklung 4, die an einem Wechselstromnetz V angeschlossen ist. Der Wechselrichter wird von einer Gleichstromquelle (Gleichstromnetz) gespeist, deren positiver Pol L an einer Mittelanzäpfung der Ventilwicklung 3 angeschlossen ist; der negative Anschluß des Wechselrichters ist geerdet An den Steuerelektroder der Ventile 1 und 2 ist ein Steuerimpulsgenerator 6 angeschlossen, der über ein OderOIied 5 von einem als Diskriminat * arbeitenden impulsgeber 12 oder 13 gesteuert Wim, Von diesen gehört der Impulsgeber 12 zur Regelanordnung des Wechselrichters für die Einstellung eines gewissen gewünschten
F i g I zeigt einen einphasigen Wechselrichter mit der Pulszahl 2 mit zwei Ventilen 1 und 2 und einem Stromrichtertransformator mit einer Ventilwicklung 3 und einer Netzwicklung 4, die an einem Wechselstromnetz V angeschlossen ist. Der Wechselrichter wird von einer Gleichstromquelle (Gleichstromnetz) gespeist, deren positiver Pol L an einer Mittelanzäpfung der Ventilwicklung 3 angeschlossen ist; der negative Anschluß des Wechselrichters ist geerdet An den Steuerelektroder der Ventile 1 und 2 ist ein Steuerimpulsgenerator 6 angeschlossen, der über ein OderOIied 5 von einem als Diskriminat * arbeitenden impulsgeber 12 oder 13 gesteuert Wim, Von diesen gehört der Impulsgeber 12 zur Regelanordnung des Wechselrichters für die Einstellung eines gewissen gewünschten
Gleichstroms, während der Impulsgeber 13 zur Sicherheitswinkelsteueranordnung
gehört,
Die normale Regelanordnung für den Wechselrichter dient im Ausführungsbeispiel zur Regelung des Gleichstroms.
Es umfaßt einen Regler 9, an dessen Eingang einerseits ein Sollwertgeber 10 in Form eines Potentiometers
angeschlossen ist und andererseits ein Istwertgeber in Form eines Gleichstrommeßwandlers 11, der in
der Erdverbindung des Wechselrichters eingeschaltet ist. Diese beiden Geber werden über Widerstände an
der Eingangsseite des Reglers 9 angeschlossen. Die Differenz beider Eingangswerte wird verstärkt und
einem Summierglied 7 zugeführt. Am Summierglied 7 ist auch ein Integrierglied 8 angeschlossen, das die Zeit seit
der vorhergehenden Zündung integriert.
Ein Spannungsmeßglied 14 liefert eine Spannung, die
ucf iäiSaCiuiCilcfi PcFiGucnuäücf /, uiViuicft uüfdi u'ic
Pulszahl des Stromrichters, entspricht, also in der gezeigten Schaltung eine Spannung, die der halben
Periodendauer entspricht. Die Glieder 8 und 14 können schaltungsgemäß den gleichen Aufbau haben wie die in
Fig.2 gezeigten Glieder 18, 19, 20, die später beschrieben werden. Die Funktion der Glieder 7,8,9,12
und 14 geht aus F i g. 4 hervor, in der auf der Abszisse die Zeit f aufgetragen ist. während die Spannungen t/s, u*
und Uu der Glieder 8, 9 und 14 auf der Ordinate aufgetragen sind. Unter der Voraussetzung, daß der
Zündzeitpunkt vom Nulldurchgang der Spannung zum Impulsgeber 12 bestimmt wird, erhält man bei der
Ausgangsspannung Null des Reglers 9 äquidistante Zündungen mit einem Abstand von der halben
Periodendauer, wie in F i g. 4 gezeigt ist und durch die ersten Zündzeitpunkte to, U und h angedeutet isL
In Fig.4 ist somit die halbe Periodendauer ^ als im
wesentlichen negative Spannung uu abgebildet zu der
die variable Spannung Us des Integriergliedes 8 addiert
wird. Diese Spannung wird bei jeder Zündung auf Null gestellt und wächst danach linear mit der Zeit f an, bis
sie gleich Uu wird, wobei die EineanessDannunE zum
Impulsgeber 12 Null wird, der dabei einen Impuls an den Steuerimpulsgenerator 6 gibt.
Wenn der mit dem Gleichstrommeßwandler 11 gemessene Strom während des Intervalls ii —(2 die
Tendenz hat, den mittels des Sollwertgebers 10 eingestellten gewünschten Stromsollwert zu überschreiten,
wird die Eingangsspannung zum Regler 9 positiv, so daß eine kleine, negative Spannung 1/9 vom Regler
erhalten wird. Dadurch wird im Zeitpunkt i2 die
Anfangs-Ausgangsspannung des Summiergliedes 7 kleiner, was zu einer Zündverzögerung At führt, wie
beim letzten Zeitpunkt i3 in Fig.4 gezeigt ist Bei
stationärem Betrieb dagegen ist die Ausgangsspannung des Reglers 9, U) gleich Null, so daß äquidistante
Zündzeitpunkte mit der Intervallänge y erhalten M
werden.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, liefert der Steuerimpulsgenerator
6 Zündimpulse an die Ventile 1 und 2, aber gleichzeitig damit auch einen Nullstellungsimpuls zum
Integrierglied 8. Die beschriebene Funktionsweise setzt voraus, daß keine Impulse vom Impulsgeber 13
ausgehen, sondern daß die Zündlage nur von Impulsen vom Impulsgeber 12 bestimmt wird.
Die bisher beschriebene Anordnung ist nur ein Beispiel einer bekannten Steueranordnung und kann
durch eine beliebige andere bekannte Anordnung zur Steuerung oder Regelung des Stromes eines Stromrichters
ersetzt werden, die wiederum in Abhängigkeit einer beliebigen arideren Betriebsgröße, z. B. der übertragenen
Leistung, erfolgen kann* Die Einzelheiten der
normalen Betriebs-, Steuer- oder Regelanordnung
berühren den auf die Sicherheitswinkelsleuefung
gerichteten Gegenstand des vorliegenden Patents nicht
Wie in der Strornrichtertechriik allgemein bekannt, darf der Steuerwinkel α, S; Fig.5, sich dem Wert von
180° nicht allzu sehr häheffi, Vielmehr ttitiB ein
Mindestabstand eingehalten werden, der sogenannte Sicherheitswinkel, um eine gewisse Entionisierungszeit
der Ventile zu sichern, zuzüglich der für die Kommutierung des Stromes erforderlichen Zeit, der sogenannten
Überlappungszeit. Um diesen Sicherheitswinkel einzuhalten, ist der zweite Impulsgeber 13 am Steuerimpulsgenerator
6 über das Oderglied 5 angeschlossen.
»iflUiin«^ rt** rinn I?tn#*nr»#* rinw I mn*·!»**»!*»*·«, i "2 Λ' '
VTCIIIIbIIU Uli \i\.it Ltiiiguiig nt..» impuugbiZbu a~r uiC in
Fig. 2 gezeigte Anordnung nach der Erfindung angeschlossen ist.
Um die Anordnung nach F i g. 2 zu erklären, wird in erster Linie auf Fig.5 hingewiesen, die eine Halbperiode
der Kommutierungsspannung Uk zeigt Die kommutierung zwischen den Ventilen beginnt beim
Steuerwinkel «. der in F i g. 5 der Zeit t entspricht. Die eigentliche Kommutierung findet während einer gewissen
Kc'Imutierungszeit u statt, und es ist bekannt, daß
die Größe der für die Kommutierung erforderlichen Spannungszeitfläche dem Belastungsstrom /des Wechselrichters
und der Kommutierungsinduktivität im Kommutierungskreis, zu dem die Transformatorwicklung
3 zwischen den Ventilen 1 und 2 gehört, proportional ist. Dieses Spannungszeitintegral ist durch
die gestrichelte Fläche K2 · /in in F i g. 5 dargestellt
Ganz rechts in Fig.5 ist eine zweite gestrichelte
Fläche Angezeigt, die dem kleinsten zugelassenen Wert
des Spannungszeitintegrals der Kommutierungsspannung Uk entspricht Zwischen dem Bereich der
Kommutierungszeit t/und der Fläche Mliegt eine nicht
gestrichelte Fläche B, und man sieht daß, solange der Steuerwinkel α nicht so groß wird, daß die nicht
gestrichelte Fläche B verschwindet die Mindes»spanriungszeitfläche
M immer noch vorhanden ist Man muß also sicherstellen, daß der Impulsgeber 13 einen
Steuerimpuls an den Steuerimpulsgenerator 8 spätestens in dem Augenblick sendet in dem die Fläche B
Null wird.
Wenn vorher ein Steuerimpuls vom Impulsgeber 12 erhalten wird, ist natürlich diese Bedingung automatisch
erfüllt und es braucht kein Steuerimpuls vom Invalsgeber
13 erzeugt zu werden. Die in Fig.2 gezeigte Anordnung liefert einen Steuerimpuls vom Impulsgeber
13 in dem Augenblick, in dem die Fläche B zu Null wird.
Falls kein Steuerimpuls zuvor vom Impulsgeber 12 geliefert worden ist wird der Impuls vom Impulsgeber
13 über das Oderglied 5 den Steuerimpulsgenerator 6 aktivieren. Die Steueranordnung in Fig.2 hat drei
Eingänge, nämlich den am Wechselstromnetz V (siehe F i g. 1) angeschlossenen Meßtransformator 16, der die
Kommutierungsspannung Uk liefert, den Gleichstrommeßwandler
11, der den Belastungsstrom des Wechselrichters mißt, und den Sollwertgeber 25 in Form eines
Potentiometers, mit dessen Hilfe ein der gewünschten Mindestspannungszeitfläche M nach Fig.5 entsprechender
Wert eingestellt wird.
In der Anordnung wird kontinuierlich das noch vorhandene Spannungszeitintegral bis zum Nulldurchgang
der Kommutierungsspannung berechnet d.h. entsprechend der Fläche K2- I+ B + M nach F i g. 5.
f i if
Die entsprechende Zeil ist in Fig.5 mit C bezeichnet,
Die Summe der Zeit / + f* 1st gleich der halben
Periödendauer j. (JtIS hoch vorhandene Spaririungs-
zeitintegr'a! wird nun, ausgehend vom gemessenen Moftentariwert der Komrhutierurigsspannung Uk und
der noch vorhandenen Zeit /*, berechnet. Da for die
Kömmulidrüngsspahnüng keine bestimmte Kuryeriförm
vorausgesetzt ist, kann auch keine einfache Funktion gegeben werden, die das noch vorhandene Spannungszeitintegral
mit diesen zwei Größen ausdrückt. Ein praktischer Weg. dieses Spannungszeitintegral im
voraus zu berechnen, besteht darin, das Produkt des Momentanwertes der Kommutierungsspannung Uk und
der noch vorhandenen Zeit /* zu bilden. Um die variierende Kurvenform zu berücksichtigen, wird diese
Vurausberechnung mit einer Korrekiurgroöe An korngiert.
Eine spezielle Korrekturgröße kann für jedes Ventil gewählt werden, d. h. im gewählten Beispiel eine
für das Ventil 1 und eine für das Ventil 2, wobei man nicht vorauszusetzen braucht, daß die zwei Halbperioden
der Kommutierungsspannung gleich sind. Beim Nuildurchgang der Spannung können dann die Korrekturgrößen
nachjustiert werden, ausgehend vom Unterschied zwischen dem vorausgerechneten Spannungszeitintegral
und dem gemessenen Spannungszeitintegral vom Zündaugenblick.
Das Produkt des Momentanwertes der Kommutierungispannung
und der noch vorhandenen Zeit wird in einem Multiplikator 17 in Fig.2 gebildet. Diesem wird
einerseits die Kommutierungsspannung UK für die betreffende Phase und andererseits die noch vorhandene
Zeit t* zugeführt. Die letztere wird als Differenz zwischen der berechneten halben Periodendauer
(Rechner 21) und der gemessenen Zeit (Zeitgeber 19) seit dem vorangehenden Nulldurchgang in der betreffenden
Kommutierungsphase gebildet. Sowohl der Zeitgeber 19 für die Berechnung der Zeit seit dem
vorangehenden Nulldurchgang in der betreffenden Knmmiitipningcnhncp öle git^Ui der Rechner 21 für die
Berechnung der halben Periodendauer werden von einem Diskriminator 18 bzw. 20 gesteuert, die die
Nulldurchgänge der Kommutierangsspannung abtasten. Sowohl der Zeitgeber 19 als auch der Rechner 21
bestehen in erster Linie aus Integratoren, die die Zeit messen oder integrieren. Im Rechner 21 für die
Berechnung der halben Periodendauer wird zweckmäßig auf eine Anzahl vorhergehender Berechnungen von
halben Periodendauern mit Hilfe von Glättung Rücksicht genommen, so daß normalerweise nur der
geglättete Wert von 21 dem Summierglied 22 zugeführt wird. Bei Ausgleichsvorgängen im System kann die
gemessene Periodendauer wesentlich kürzer sein als der gespeicherte geglättete Wert Dann muß der dem
Summierglied 22 zugeführte Wert während einer Anzahl aufeinanderfolgender Zündungen entsprechend
dieser Abweichung korrigiert werden. Um bei derartigen Ausgleichsvorgängen im System eine neue Berechnung
der Periodendauer vor der Zündung des nächstfolgenden Ventils zu erhalten, ist ein Filter 28 vor
den Diskriminator 20 geschaltet in welchem Filter eine zweckmäßige positive Phasendrehung der Netzspannung
erfolgt, so daß der letzte Wert der Periödendauer eine gute Zeit vor der Zündung vorliegt
Der Ausgangskreis des Rechners 21 besteht somit aus einem speichernden und glättenden Kreis, der einen
einigermaßen konstanten Wert abgibt, der der halben Periodendauer j entspricht. Der Zeitgeber 19 gibt
dagegen einen variablen Wert ab, der der Zeit / nach
dem letzten Nulldurchgang entspricht.
Vom Multiplikator 17 erhält man somit eine kontinuierliche Berechnung des Produkts aus deni
tatsächlichen Wert ÜK der Kommutierungsspannüng
und der vorausberechneten Zeit i* bis zum Nulldufchgang
der" Kömmutierungsspannüng, multipliziert mit
ιό einem zweckmäßigen Faktor K\. Dieser Wert wird
einem Summierglied 24 mit einem negativen Vorzeichen zugeführt. Dem Summierglied 24 wird auch die
Korreklurgröße Anvon einem Korrekturrechner 23 mit
einem positiven Vorzeichen zugeführt. Von einem Multiplikator 26 und einem Differenzierglied 27 wird
eine Größe geliefert, die der vorausberechneten Spannungszeitfläche K^I (Fig.5) für die Kommutierung
des Gleichstroms entspricht, der im Gleichstrommeßwandler 11 gemessen wird.
Die gewünschte Mindestspannungszeitfläche M (F i g. 5) wird am Sollwertgeber 25 eingestellt. Von dem
Summierglied 24 erhält man somit eine Größe, die der Spannungszeitfläche Sin Fig.5 entspricht. Wenn nicht
eine Zündung über den Impulsgeber 12 in Fig. 1 erhalten wird, ehe die Ausgangsgröße des Summiergliedes
24 Null passiert, erhält man vom Diskriminator 13 einen Steuerimpuls zum Steuerimpulsgenerator 6 in
dem Augenblick, in dem die Spannungszeitfläche B Null wird.
Der Multiplikator 26 ergibt in erster Linie das Produkt des Gleichstroms /des Wechselrichters und des
obengenannten Faktors K2, weshalb ein erster Eingang
des Multiplikators 26 direkt am Gleichstrommeßwandler 11 angeschlossen ist.
Das Differenzierglied 27 dient dazu, erwartete Stromänderungen während des Kommutierungsintervalls
zu berücksichtigen, wobei der total kommutierende Strom größer werden kann als der tatsächlich
gemessene Strom zu Beginn der Kommutierung. Das Differenzierglied 27 ist am Gleichstrommeßwandler 11
angeschlossen. Es liefert eine Ausgangsgröße Ki · -^-,
worin Kz ein Proportionalitätsfaktor ist Die genannte
Ausgangsgröße wird an einen zweiten Eingang des Multiplikators 26 angeschlossen, dessen Ausgangsgröße
dann
κ,
ist Zwischen dem Multiplikator 26 und dem Differenzierglied 27 liegt eine Diode, um anzudeuten; daß nur
positive Stromableitungen, die eine frühere Zündung verlangen, berücksichtigt werden.
Der Rechner 23 für die Berechnung der Korrekturgröße An hat neben später erläuterten Steuerimpuls-Eingängen
zwei Meßgrößeneingänge, nämlich vom Multiplikator 17 und vom Meßtransformator 16. Der
Rechner 23 ist in F i g. 3 ausführlicher gezeigt Die Figur zeigt die Anordnung für eine Phase oder ein Ventil. Es
wird im Zündaugenblick jeweils der Augenblickswert der Ausgangsgröße des Multiplikators 17, also der
Augenblickswert des vorausberechneten Spannungszeit-Integrals bis zum Spannungsnulldurchgang gespeichert
Von dem so gespeicherten Betrag wird anschließend die tatsächlich gemessene Spannungszeitfläche
der kommutierenden Spannung vom Zündaugenblick bis zum Nulldurchgang der Spannung subtrahiert
Der im Augenblick des Spannungsnulldurchganges eventuell verbleibende Unterschied wird dann gespeichert,
um als Korrekturgröße verwendet zu werden, wenn ein Ventil in derselben Phase oder dasselbe Ventil
das nächste Mal gezündet werden soll. Im folgenden ist eine separate Korrekturgröße für jedes Ventil vorausgesetzt.
Das in Fig.3 gezeigte System ist als Schaltkreis
ausgeführt, der als Verstärkerschaltung arbeitet, wobei die Eingangsgröße eines elektronischen Schalters 37
direkt proportional dem vom Multiplikator 17 über Eingangswiderstände 34 und 30 gelieferten vorausberechneten
Spannungszeit-Integral ist. Dies setzt voraus, daß ein elektronischer Schalter 33 leitet, ein Schalter 35
aber sperrt. Wenn dagegen der Schalter 33 sperrt und der Schalter 35 leitet, arbeitet der Kreis als reiner
integrator. Wenn beide Schalter 33 und 35 sperren, wird über den Verstärker 32 die Spannung des Kondensators
31 festgehalten, so daß ein reiner Gedächtniskreis erhalten wird. Mit Hilfe eines Kondensators 41
iwischen den elektronischen Schaltern 37 und 39 erhält man außerdem einen zusätzlichen Gedächtniskreis. Der
letztere kann natürlich auch durch Einführen von Verstärkerschaltungen verbessert werden.
Die elektronischen Schalter 33,35, 37 und 39 werden mit verschiedenen Steuerimpulsen an ihren Steuereingängen
gesteuert Das System wird vom Zeitpunkt ausgehend beschrieben, ehe die Spannungszeitfläche B
in F i g. 5 Null wird, d. h. bevor Zündung eintritt. Am Kondensator 41 ist eine Spannung gespeichert, die der
früher berechneten Korrekturgröße An für die Zündung
des betreffenden Ventils entspricht. Der elektronische Schalter 39 leitet, aber 37 ist gesperrt, so daß die
Korrekturgröße in das Summierglied 24 eingeführt ist.
In diesem Intervall ist auch der elektronische Schalter 33 leitend, während der Schalter 35 gesperrt ist. Der
Kondensator 31 wird aufgeladen auf die Ausgangsspannung vom Multiplikator 17. Seine Spannung folgt also
dem Produkt Ki-Uk- t*, d. h. dem ständig vorausbe-13
bestimmt "vird, d. h. wenn der Strom über den Impulsgeber 12 geregelt wird. Die Berechnung wird
einigermaßen korrekt, wenn die Spannungszeitfläche B im Zündaugenblick nicht zu groß ist. Bei kleineren
Werten des Zündwirtkels κ, ζ. B. bei Gleichrichterbetrieb,
wenn B sehr groß ist, wird jedoch die dann berechnete Korrekturgröße falsch. Um Störungen des
Systems bei schnellem Übergang von Gleichrichterbetrieb zu Wechselrichterbetrieb zu vermeiden, werden
ίο Begrenzungen der gespeicherten Spannung am Kondensator
41 eingeführt, z. B. mit Diodenkreisen 42 und 43, wie in F i g. 3 gezeigt ist.
Die Schaltbeispiele der Schalter 33, 35, 37 und 39 gehen aus F i g. 5 hervor, in der die Leitintervalle dieser
Schalter angegeben sind. Wie erwähnt, wird öer Schalter 39 eingeschaltet, wenn das in der Zündfolge
vorangehende Ventil zündet, so daß die Leitintervalle für den Schalter 39 die Größe der Periodendauer T
dividiert durch die Pulszahl haben, im gegebenen Fall also ί. Der Schalter 39 wird somit zweckmäßig von den
Zündimpulsen vom Steuerimpulsgenerator 6 gesteuert, z. B. über eine Kippschaltung. Mittels des Schalters 33
soll der Multiplikator 17 an den Kondensator 31 während der positiven Halbperiode der Kommutierungsspannung
bis zum Zündaugenblick angeschlossen werden. Der Schalter 33 kann deshalb zweckmäßig von
der positiven Spannung über dem Ventil, der sogenannten Blockierungsspannung, gesteuert werden. Der
Schalter 35 soll vom Zündaugenblick bis zum Nulldurchgang der Kommutierungsspannung leitend sein. Er kann
deshalb von einer Kippanordnung gesteuert werden, die vom Steuerimpulsgenerator eingeschaltet und von
einem an der Kommutierungsspannung angeschlossenen Diskriminator ausgeschaltet wird. Derselbe Diskriminator
kann, wenn der Schalter 35 ausgeschaltet wird, den Schalter 37 einschalten, dessen Steuereingang
zweckmäßig als Haltekreis mit einer gewissen Rückgangszeit, die von der gewünschten Clättung der
ι c^miciCM TT et t UC3 ojjaiiliuiigaz.ttt.iiiLCgt aicu uia £.11111
nächsten zu erwartenden Spannungsnulldurchgang. Im Zündaugenblick wird der Schalter 33 gesperrt und der
Schalter 35 geöffnet. Weiter wird der Schalter 39 gesperrt und der entsprechende Schalter im nachfolgenden
Ventil geöffnet, d. h. die nächste Korrekturgröße Von einem dem Rechner 23 entsprechenden Rechner
wird dem Summierglied 24 zugeführt Während des Intervalls von der Zündung bis zum Nulldurchgang der
kommutierungsspannung ist der Schalter 35 leitend, wobei der Verstärkerkreis als Integrierverstärker
arbeitet und die Kommutierungsspannung Uk vom Meßtransformator 16 integriert und gleichzeitig vom
früher gespeicherten Wert K\ · Uk- f* subtrahiert
wird, der im Zündaugenblick im Kondensator 31 gespeichert worden ist Wenn die Kommutierungsspannung
durch Null geht, wird der elektronische Schalter 35 gesperrt und der nun gespeicherte Wert auf dem
Kondensator 31, der der erneuten Aufdatierung der Korrekturgröße An entspricht, wird dadurch dem
Kondensator 41 zugeführt, daß der Schalter 37 während eines gewissen Intervalls leitend gemacht wird. Indem
man die Länge des Intervalls begrenzt und eventuell einen Widerstand 35 in Reihe schaltet, kanu eine
gewisse Glättung erreicht werden, so daß dia Korrekturgröße
An, die am Kondensator 41 gespeichert ist,
auch die' früher berechneten Korrekturgrößen berücksichtigt Die Berechnung der Korrekturgrößen findet
auch statt, wenn die Zündung nicht vom Diskriminator Die vorstehende Beschreibung der Ein- und Ausschaltung
der Schalter 33, 35, 37 und 39 ist als Beispiel aufzufassen, weil die gezeigten Übergangspunkte im
Diagramm in F i g. 5 sich an mehreren Stellen in F i g. 1 und 2 erkennen lassen. Es ist deshalb eine Frage der
Zweckmäßigkeit, von welchen Punkten im System der genannten Schalter gesteuert werden soll.
In der Stromrichtertechnik ist es weiter bekannt, daß der Sicherheitswinkel oder das mindestens erforderliche
Zeitintegral der Kommutierungsspannung stromabhängig sein müssen, so daß ein Glied erforderlich ist, das
dem Belastungsstrom' des Stromrichters proportional ist Ein solches Glied kann beispielsweise eingeführt
werden, indem der Korrekturfaktor K2 im Multiplikator
26 in Fig.2 für einen etwas anderen Wert bemessen wird als exakt dem Kommutierungsintervall u in F i g. 5
entspricht Alternativ kann die vom Sollwertgeber 25 vorgegebene Mindestspannungszeitfläche M dadurch
stromabhängig gemacht werden, daß eine stromabhängige Zusatzgröße zur Spannung vom Potentiometer 25
addiert wird.
Bei Unsymmetrien der Wechselspannung ist es normalerweise wünschenswert, die Ventile in gleichem
Abstand zu zünden unter der Bedingung, daß ein erforderliches Mindestmaß der Spannungszeitfläche in
demjenigen Ventil enthalten ist, das am kritischsten ist Dies bedeutet, daß die Spannungszeitfläche B nach
F i g. 5 in irgendeinem Ventil gleich Null wird, aber in
anderen Ventilen größer als Null sein kann. Um dies zu erreichen, sind ein elektronischer Schalter 15 und ein
Regelbegrenzer 44 in F i g. 1 eingeführt worden. Wenn der Schalter 15 leitend ist, wird die Ausgangsspannung
des Reglers 9 auf positive Werte oder Null begrenzt. Dies bedeutet, daß die Ausgahgsspartnung vom Regler 9
auf Null begrenzt wird, solange der Schalter 15 leitend ist. Dies bedeutet wiederum, daß der Abstand zwischen
aufeinanderfolgenden Zündungen nicht größer werden kann als es der Periodendauer dividiert durch die
Pulszahl entspricht, im vorliegenden Fall also gleich der halben Periodendauer. Sobald irgendein Ventil einen
Zündimpuls über den Impulsgeber 13, d. h. bei 5=0, erhalten hat, erhält man auch einen Impuls zum
Regelbegrenzer 44. Dieser kann entweder aus einem Zeitkreis oder einem Zähler bestehen, der während
einer gewisser* bestimmten Zeit oder einer gewissen bestimmter Anzahl von Zündungen dem elektronischen
Schalter 15 einen Öffnungsimpuls gibt, so daß dieser leitend wird. Mit diesem Steuerprinzip, bei dem die
Zündung entweder vom Impulsgeber 13, d. h. mit Rücksicht auf die kleinste zulässige verbleibende
Spannungszeitfläche oder in äquidistantem Abstand zwischen sukzessiven Zündungen bestimmt werden
kann, werden äquidistante Zündungen erhalten, wobei das kritischste Ventil gezündet wird, wenn dessen
Spannungszeitfläche ßNuII wird.
Bei einem Sechs-Puls-Stromrichter wird zweckmäßig die Länge der Impulse vom Regelbegrenzer 44 so
gewählt, daß der Schalter 15 während der zwei folgenden Zündungen leitend ist oder alternativ
während der fünf folgenden Zündungen, d. h. während einer halben oder einer ganzen Periode der Wechselspannung
des Wechselrichters. Danach ist es in der Regel wünschenswert, erneut eine exakte Berechnung
des letzten zulässigen Zündaugenblicks zu erhalten.
Wenn in der genannten halben oder ganzen Periode neue Zündimpulse vom Diskriminator 13 erhalten
werden sollten, beginnt automatisch eine neue Wirkungsperiode des Regelbegrenzers 44.
Man sieht also, daß der Regelbegrenzer 44 vom Diskriminator 13 aktiviert wird. Wenn die Dauer seine*
Aktivität danach von der Anzahl Zündimpulse bestimmt werden soll, wird er mit einem zusätzlichen Eingang
vom Steuerimpulsgenerator 6 versehen, wie mit der gestrichelten Verbindung in F i g. 1 gezeigt ist.
Bei anderen Typen der Steueranordnung als mittels des Kreises 9 — 12 in Fig. 1 kann es sich um andere '
Werte der vom Schalter 15 gegebenen Begrenzung der Ausgangsspannung des Reglers 9 handeln. Unter allen
Umständen gilt jedoch, daß die Begrenzung der genannten Ausgangsspannung dem konstanten Sicherheitswinkel
und damit äquidistanten Zündungen entsprechen soll.
Durch eine zusätzliche Bedingung, daß der elektronische Schalter 15 nur leitend ist, wenn die Spannungszeitfläche
B einen gewissen Maximalwert Bmax unterschreitet,
erhält man ein System, das äquidistante Zündung bei mäßigen Unsymmetrien ergibt. Bei großen Unsymmetrien,
wenn bei äquidistanter Zündung B > Bmax ist, wird
die Zündung verzögert, bis B = Bm3X ist. Diese
Anordnung bewirkt, daß eine höhere Gleichspannung vom Stromrichter bei großen Unsymmetrien im
speisenden Wechselstromnetz erhalten werden kann als im Fall von äquidistanter Zündung, wo große Unsymmetrien
einen übermäßig großen Sicherheitswinkel bei gewissen Ventilen mit daraus folgendem schlechtem
Ausnutzen des Wechselrichters mit sich bringen wurden. Der Einfachheit halber ist die Anordnung nach
diesem Prinzip nicht in F i g. 1 und 2 eingezeichnet worden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Verfahren zur Steuerung von Wechselrichtern mit einer Sicherheitswinkelsteueranordnung zur
Einhaltung des für die Kommutierung des Stromes und die Entionisierung erforderlichen Sicherheitswinkels der Ventile des Wechselrichters, wobei der
Sicherheitswinkel aus dem fortlaufend vorausberechneten Zeitintegral der Kommutierungsspannung
bis zum nächsten Nulldurchgang, aus dem für die Kommutierung erforderlichen Zeitintegral und
aus dem für die Entionisierung erforderlichen Zeitintegral ermittelt wird und wobei zur Festlegung
des für die Kommutierung erforderlichen Zeitintegrals eine vom Strom abgeleitete Größe und für die
Festlegung des für die Entionisierung erforderlichen Zeitintegi als eine durch einen Sollwertsteller vorgegebene
Größe eingeführt 'verden, dadurch
gekennzeichnet, daß das fortlaufend vorausberechnete Zeitintegral der Kommutierungsspannung
bis zum nächsten Nulldurchgang der Kommutierungsspannung angenähert dadurch bestimmt
wird, daß das Produkt (K\ ■ Uk- t*)der augenblicklichen
Kommutierungsspannung (Uk) mit einem Proportionalitätsfaktor (K\) und mit derjenigen Zeit
(f*) gebildet wird, die sich aus der Differenz der halben Periodendauer iyJ und der seit dem letzten
Nulldurchgang verstrichenen Zeit (t) ergibt, und daß das sich beim Kommutie.ungsbeginn ergebende
Produkt (Ki ■ Uk · O beim nächsten Nulldurchgang
mit dem tatsächlichen Zeitintegral der Kommutierungsspannung (Uk) vom Kommutierungsbeginn
bis zum Nulldurchgang verglichen und die resultierende Differenz als Korrekturgröße (An)
in der nächsten Wechselspannungsperiode unter Berücksichtigung des Vorzeichens zu dem dann neu
vorausberechneten angenäherten Zeitintegral addiert wird.
2. Steueranordnung zur Durchführung des Verlahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
ein erster Multiplikator (17) vorhanden ist, der fortlaufend während einer Halbperiode die Differenz
(f*) aus der Halbperiodendauer ( ^ ) u°d der
seit dem letzten Spannungsnulldurchgarig vergangenen
Zeit (t) mit einer der augenblicklichen Kommutierungsspannung (Uk) proportionalen Größe
multipliziert, daß die Ausgangsgröße des ersten Multiplikators (17) und eine der Kommutierungsspannung (Uk) proportionale Größe abwechselnd
einem Integrierverstärker (32) derart zuführbar sind, daß am Ausgang des Integrierverstärkers (32) die
Differenz der vom ersten Multiplikator (17) im Zeitpunkt des Beginns der Kommutierung gelieferten
Größe und dem Integral der, Kommutierungsspannung (Uk) im Zeitraum zwischen Beginn der
Kommutierung und dem nachfolgenden Nulldurchgang der Kommlitierungsspannung (Uk) als Korrek*
tUfgröÖe abnehmbar ist, daß dem Ausgang des Integrierverstärkers (32) mindestens ein elektronischer
Schalter (37) nachgeschaltet ist, dessen Ausgang die Korrekturgröße zu vorgebbaren Zeiten
entnehmbar ist, daß diesem elektronischer! Schalter (37) ein Iritegrierkondensator (41) nachgeschaltet ist,
daß die Ausgängsgröße des Integrierkondensators
(41), die Ausgangsgröße des ersten Multiplikators
(17), die Ausgangsgröße eines die Freiwerdezeit der Wechselrichterventile berücksichtigenden Sollwertgebers
(25) und die vom Strom abgeleitete Größe unter Berücksichtigung der Vorzeichen einem
Summierungsglied (24) zugeführt sind und daß dem Summierungsglied (24) ein Diskriminator (13)
nachgeschaltet ist, der einen Steuerimpuls abgibt,
sobald die Ausgangsgröße des Summierungsgliedes (24) durch Null geht
3. Steueranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Multiplikator (26)
vorgesehen ist, der aus einem Strommeßwert die vom Strom abgeleitete Größe als eine dem
Gleichstrom des Wechselrichters proportionale Rechengröße bildet
4. Steueranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem zweiten Multiplikator (26)
über ein Differenzierglied (27) zusätzlich eine der zeitlichen Ableitung des Gleichstromes des Wechselrichters
proportionale Rechengröße [K3 ■ -^-
zuführbar ist
5. Steueranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine derart gepolte Diode dem
Differenzierg!:ed (27) nachgeschaltet ist, daß nur
positive Werte der zeitlichen Ableitung des Gleichstromes des Wechselrichters zum zweiten Multiplikator
(26) gelangen: *
6. Steueranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung
der Ausgangsgröße des ersten Multiplikators (17) und der der Kommutierungsspannung (Uk) proportionalen
Größe zu dem Integrierverstärker (32) über getrennte passive Netzwerke und über abwechselnd
einschaltbare elektronische Schalter (33,35) erfolgt
7. Steueranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Integrierverstärker
(32) mindestens ein Begrenzungsglied (42, 43) nachgeschaltet ist.
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