DE1921948C3 - Verfahren zur Steuerung von Wechselrichtern mit einer Sicherheitswinkel-Steueranordnung und Steueranordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

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

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.

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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 A_n 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 U_K 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 Ü_K 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 A_nvon 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 A_n 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 A_n 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 A_n 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 A_n, 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 B_max unterschreitet, erhält man ein System, das äquidistante Zündung bei mäßigen Unsymmetrien ergibt. Bei großen Unsymmetrien, wenn bei äquidistanter Zündung B > B_max ist, wird die Zündung verzögert, bis B = B_m3X 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)

Patentansprüche:

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 (A_n) 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.