DE19508765C1 - Verfahren zur Schonzeitsteuerung der Thyristoren eines Stromrichterantriebs bei starken Stromanstiegen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Schonzeitsteuerung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Verfahren ist aus "Technische Mitteilungen AEG- TELEFUNKEN" 67 (1977) Heft 1, Seiten 20 bis 25 bekannt.

Die Hauptanwendungsgebiete für Stromrichtermotoren solcher Art sind bisher Einzelantriebe mit sehr hohen Leistungen und begrenzten Drehzahlstellbereichen. Ferner haben diese Antriebe nur quasi-stationäre Belastungen. Diese Eigenschaften treffen zum Beispiel für Pumpen, Verdichter und Lüfter zu.

Im stationären Belastungszustand erfolgt eine Vorgabe der Zündwinkel für die Thyristoren des Motorstromrichters von einer drehzahlabhängigen Kennlinie über eine Steuerspannung. Dabei wird im Motorbetrieb ein möglichst großer Zündwinkel nahe der Wechselrichterendlage (d. h. an der Wechselrichtertrittgrenze und damit bei maximalem Leistungsfaktor) unter Berücksichtigung der erforderlichen Schonzeit angestrebt:

Die Schonzeit ist durch die Freiwerdezeit der Thyristoren gegeben. Man versteht darunter die Zeit, die ein Thyristor, der aus dem stromführenden Zustand in den stromlosen Zustand umgesteuert wurde, noch benötigt, um sicher gesperrt zu sein. Die Schonzeit kann also durch Messung der Zeit ermittelt werden, in der eine negative Sperrspannung am Thyristor nach der Kommutierung anliegt.

Die für den Betrieb des Motorstromrichters notwendige Steuer- und Kommutierungsblindleistung wird von dem Synchronmotor geliefert. Zu diesem Zweck erfolgt eine Verschiebung des Maschinenstromes gegenüber der Polradspannung durch entsprechend zeitlich verschobenes Zünden der Thyristoren. Der günstigste Verschiebewinkel richtet sich nach der Schonzeit der Thyristoren, die - wie erwähnt - einen Minimalwert nicht unterschreiten darf.

Im stationären Zustand hat der Polradwinkel einen konstanten Wert, so daß die Drehzahl des Rotors mit der Drehfrequenz des Ständersystems übereinstimmt.

Der vom Leistungsteilaufwand sehr günstige Stromrichtermotor kann auch für den hochdynamischen Betrieb mit sehr großem Drehzahlstellbetrieb in der Grundstoffindustrie eingesetzt werden. Mit der Belastung ändert sich jedoch der Poradwinkel. Damit variiert die Frequenz des Ständersystems des Synchronmotors um die Relativgeschwindigkeit der Polradwinkeldrehung gegenüber der eigentlichen Drehzahl. Die Relativbewegung ist von der Steilheit der Stromänderung und der Zeitkonstanten der Dämpferwicklung im Rotor des Synchronmotors abhängig.

Der Steuersatz für den Maschinenstromrichter benutzt die verkettete Maschinenspannung mit der veränderlichen Ständerfrequenz zur Synchronisation. Für die Weiterverarbeitung der Spannungsnulldurchgänge zur Ermittlung des Zeitpunkts der Zündimpulse wird - wie bei jedem Steuersatz - eine Sägezahnspannung als Referenzsignal gebildet. Die Steigung des Sägezahns ist direkt proportional der Drehzahl. Tritt jetzt bei starken Belastungsänderungen eine deutliche Relativbewegung zwischen dem Ständer- und dem Rotorsystem auf, so sind die ermittelten Zündzeitpunkte für die Thyristoren des Motorstromrichters nicht mehr mit den tatsächlichen identisch. Es findet im dynamischen motorischen Betrieb, insbesondere bei schnellen Stromanstiegen, mit sehr großer Wahrscheinlichkeit eine Verschiebung der Zündzeitpunkte über die Wechselrichterendlage hinaus statt, so daß eine Kippung des als Wechselrichter arbeitenden Motorstromrichters eintritt.

Eine Abhilfe wäre das Einfügen von zusätzlichen Sicherheitsabständen bei der Vorgabe der Wechselrichterendlage mit der Konsequenz eines unerwünschten erhöhten Blindleistungsverbrauchs, was wiederum bei gleicher Wirkleistung die Baugröße der Leistungsteile (Transformator, Stromrichter) erhöht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß trotz eines Betriebes bei minimaler Schonzeit die Thyristoren durch einen auf die Motorspannung synchronisierten Steuersatz im stationären Belastungszustand des Synchronmotors auch bei hochdynamischem Betrieb, d. h. bei Belastungsänderungen mit starken Stromanstiegen, ohne die Verwendung zusätzlicher Sicherheitsabstände eine Kippung des Motorstromrichters nicht auftritt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Durch die dynamische Schonzeitsteuerung mittels eines Zusatzsollwerts auf die Steuerspannung wird in einfacher Ergänzung der standardmäßigen, drehzahlabhängigen Schonzeitsteuerung für den stationären Belastungszustand ein sicherer Betrieb unter niedriger Blindleistungsaufnahme auch bei schnellen Stromanstiegen erreicht.

Entsprechend dem Aufsatz von T. Kaczmarek, J. Deskur "Regelung eines Stromrichtermotors an der Wechselrichtertrittgrenze" in: DD-Z. ELEKTRIE, Band 42 (1988) Heft 7, Seiten 270 bis 274 wird zur Lösung des obengenannten Problems die Ableitung des Stroms gebildet und bei Überschreitung eines eingestellten Stromableitungsniveaus ein Zusatzsignal auf den Sollwert gegeben.

In der DE 29 14 613 A1 wird die Führung der Schonzeit in Abhängigkeit zu einer dem Ventilstrom "zeitlich nachgebend - d. h. differentiell - zugeordneten Größe" empfohlen. Das kann als Ableitung des Stromes ("differentiell") oder als ein geglätteter Strom ("zeitlich nachgebend") gedeutet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß trotz eines Betriebes bei minimaler Schonzeit die Thyristoren durch einen auf die Motorspannung synchronisierten Steuersatz im stationären Belastungszustand des Synchronmotors auch bei hochdynamischem Betrieb, d. h. bei Belastungsänderungen mit starken Stromanstiegen, ohne die Verwendung zusätzlicher Sicherheitsabstände eine Kippung des Motorstromrichters nicht auftritt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Durch die dynamische Schonzeitsteuerung mittels eines Zusatzsollwerts auf die Steuerspannung wird in einfacher Ergänzung der standardmäßigen, drehzahlabhängigen Schonzeitsteuerung für den stationären Belastungszustand ein sicherer Betrieb unter niedriger Blindleistungsaufnahme auch bei schnellen Stromanstiegen erreicht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens nach der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung soll im folgenden für ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungsfigur beschrieben werden. Diese zeigt ein aus Funktionsblöcken aufgebautes Prinzipschaltbild einer das Verfahren nach der Erfindung realisierenden Schonzeitsteuerung.

Gemäß der Zeichnungsfigur ist ein Kennliniengeber 1 vorgesehen, dem die Drehzahl n eines (hier nicht gezeigten) Synchronmotors eingegeben wird und das eine von dieser Drehzahl n abhängige -Steuerspannung a abgibt, die im stationären Betrieb die Zündzeitpunkte der Thyristoren eines den Synchronmotor speisenden (ebenfalls nicht gezeigten) Motorstromrichters bestimmt. Diese Steuerspannung a ist aufgrund der im Kennliniengeber 1 abgespeicherten Kennlinie derart gewählt, daß der Motorstromrichter bei geringstmöglichem Blindleistungsbedarf, d. h. unter Beachtung der minimal möglichen Schonzeit nahe der Wechselrichterendlage betrieben wird.

Wie zuvor erläutert, verschieben sich aufgrund der Änderung des Polradwinkels im dynamischen Betrieb des Synchronmotors die aufgrund der Steuerspannung a in einem (ebenfalls nicht gezeigten) Steuersatz erzeugten, mit der verketteten Maschinenspannung des Synchronmotors synchronisierten Zeitpunkte der Zündimpulse für die Thyristoren gegenüber den geforderten Zündwinkeln nahe der Wechselrichterendlage. Im motorischen Betrieb bewirken dabei steile Stromanstiege eine Verschiebung über die Wechselrichtertrittgrenze hinaus.

Um dieses zu vermeiden, wird gemäß der Erfindung für den Fall eines die Gefahr des Kippens des Motorstromrichters hervorrufenden Stromanstiegs im motorischen Betrieb ein stets positiver Zusatzsollwert z generiert, der von der Steuerspannung a abgezogen wird, so daß unter Beachtung der minimalen Schonzeit eine Verschiebung der Zündzeitpunkte über die Wechselrichterendlage hinaus nicht auftritt.

Zu diesem Zweck wird einem Differenzierglied 3 ein dem Laststrom des Synchronmotors proportionaler Wert i zugeführt. Das Differenzierglied 3 stellt generell Stromänderungen fest. Das Ausgangssignal des Differenziergliedes 3 entsprechend einer ermittelten Stromänderung wird in einem Bewertungsglied 4 mit einem Faktor b bewertet und bei einer Stromerhöhung auf einen Maximalwert o begrenzt. Änderungen in Richtung eines Stromabbaus müssen nicht berücksichtigt werden, da sich der obengenannte Effekt hier durch eine unkritische, kurzzeitige Schonzeiterhöhung auswirkt. Der Ausgang des Differenziergliedes 3 ist deshalb in negativer Richtung durch den unteren Grenzwert u auf Null begrenzt.

In einem dem Bewertungsglied 4 nachgeschalteten Auswahlglied 5 wird von den festgestellten Stromanstiegen lediglich der während einer vorgegebenen Zeit aufgetretene Maximalwert an einen Speicher 6 weitergegeben. Der Wert des derart ermittelten, bewerteten maximal aufgetretenen Stromanstiegs wird über eine bestimmte Speicherzeit d im Speicher 6 gespeichert. Die Länge der Speicherzeit d hängt dabei von der Zeitkonstanten der Dämpferwicklung des Synchronmotors und damit von der Zeitdauer der Relativbewegung zwischen Ständer und Rotor ab. Das Ausgangssignal des Speichers 6 geht an ein VZ1-Glied 7 mit einer Zeitkonstanten T. Das VZ1-Glied 7 hat lediglich die Aufgabe, die schnellen, harten Eingriffe und die Unruhe des Differenziergliedes 3 abzumildern.

Im motorischen Betrieb wird die Ausgangsgröße des VZ1- Glieds 7 immer als positiver Zusatzsollwert z von der drehzahlabhängigen Steuerspannung a für die Thyristoren des Maschinenstromrichters in einem dem Kennliniengeber 1 nachgeschalteten Differenzbildner 2 abgezogen. Es resultiert eine korrigierte Steuerspannung s.

Der Schnittpunkt mit der Sägezahnspannung wandert infolge der verringerten Steuerspannung s zeitlich nach vorn, und die tatsächlichen Zündzeitpunkte liegen wieder an den geforderten Stellen. Eine Kippneigung wird somit wirkungsvoll unterdrückt.

Bei generatorischem Betrieb soll keine Beeinflussung der Steuerspannung a erfolgen, da sich der Maschinenstromrichter dann im Gleichrichterbetrieb befindet und nicht kippen kann. Deshalb ist ein Schalter 8 vorgesehen, der lediglich bei einem den motorischen Betrieb anzeigenden Signal m den Zusatzsollwert z an den Differenzbildner 2 durch eine entsprechende Schalterstellung weiterleitet.

Claims (4)

1. Verfahren zur Schonzeitsteuerung der Thyristoren eines mit einem Synchronmotor verbundenen, mit einem eingeprägten Strom gespeisten Motorstromrichters, bei der für den stationären Betrieb eine drehzahlabhängige Steuerspannung zur Bestimmung der Ansteuerzeitpunkte (Zündwinkel) der Thyristoren bei einer minimalen Schonzeit vorgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Stromanstieg im motorischen Betrieb des Synchronmotors vom Wert der drehzahlabhängigen Steuerspannung ein Korrekturwert abgezogen wird, der aus dem um die Dämpferleerlaufzeitkonstante des Synchronmotors verzögerten Wert der Stromänderung gewonnen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils der Wert der maximal auftretenden Stromänderung während einer Zeit entsprechend der Dämpferleerlaufzeitkonstanten zur Bildung des Korrekturwerts verwendet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die Bildung des Korrekturwertes bestimmende Wert der Stromänderung auf einen Maximalwert begrenzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gewonnene Korrekturwert erst allmählich zu voller Größe anschwellend von der Steuerspannung abgezogen wird.