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Zur
verlustarmen Leistungsregelung von elektrischen Verbrauchern, insbesondere
elektromotorischen Antrieben, werden immer häufiger statische Umrichter
eingesetzt.
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Die
grundsätzliche
Wirkungsweise eines Umrichters besteht darin, daß ein zur Verfügung stehender
Wechselstrom in einem Gleichrichter (Netzstromrichter) in einen
Gleichstrom oder eine Gleichspannung umgewandelt wird, der anschließend in
einem Wechselrichter (Maschinenstromrichter) in einen Wechselstrom
mit anderen Parametern (Strom, Spannung, Phasenlage) umgewandelt
wird.
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Je
nachdem ob der Strom oder die Spannung in diesem Zwischenkreis beeinflußt wird, spricht
man von einem Strom- bzw. Spannungszwischenkreis. Zur verbraucherunabhängigen Bereitstellung
eines bedarfsgerechten Wechselstromes hat sich der Umrichter mit
Spannungszwischenkreis besonders bewährt. Er ist einer Wechselspannungsquelle
am ähnlichsten.
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In
der Literatur werden Verfahren zur Regelung der Ausgangsgrößen eines
Umrichters beschrieben, bei denen grundsätzlich die Maschinenstromrichter
geregelt werden. So werden bei der TRANSVEKTOR-Regelung (FLÖTER, RIPPERGER: Die
TRANSVEKTOR-Regelung für
den feldorientierten Betrieb einer Asynchronmaschine in: Siemens-Zeitschrift,
Jg. 45 (1971), Heft 10, S. 761–764) u.a.
die Ausgangsströme
des Maschinenstromrichters in einem Stromkoordinatenwandler und
anschließendem
Vektordreher zu Gleichgrößen umgewandelt,
die in Stromkomponentenreglern zu Ausgangsgrößen verarbeitet werden, die
in einem sich anschließenden
Entkopplungsnetzwerk zu Stellgrößenkomponenten
verarbeitet werden und über
einen weiteren Vektordreher und Koordinatenwandler die Stellgrößen des
Maschinenstromrichters gebildet werden. Durch das Entkopplungs netzwerk
wird erreicht, daß sich
die beiden Stromregelkreise gegenseitig nicht beeinflussen.
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Diese
Art der Regelstruktur, bei denen nach den Stromkomponentenreglern
ein Entkopplungsnetzwerk angeordnet ist nennt man auch Längsentkopplung.
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Ein
sehr ähnliches
Verfahren zur Regelung eines Maschinenstromrichters, ebenfalls mit
einer Längsentkopplung,
ist in der
DD 269 960
A1 beschrieben.
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Der
Nachteil dieser bekannten Verfahren besteht vor allem darin, daß sich bei
Lastsprüngen
am Maschinenstromrichter die Zwischenkreisspannung in erheblichen
Grenzen ändert.
Das hat zur Folge, daß die
Regelung keinen hohen Ansprüchen
an Dynamik und Regelgenauigkeit genügen kann. Außerdem verursachen
diese Umrichter erhebliche Netzrückwirkungen.
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Aus
der DE-Z.: SPÄTH,
H. u. a.:"Spannungszwischenkreis-Umrichterantrieb
mit netzseitigem Pulsstromrichter" in etz Archiv Bd. 11 (1989) Heft 10, S.
333 bis 339 ist eine Regelung der Zwischenkreisspannung eines Umrichters
beschrieben. Für
die Regelung werden neben den Netzströmen und Netzspannungen sowie
der Zwischenkreisspannung noch die Ströme und Spannungen des Maschinenstromrichters
herangezogen. Die Regeldynamik hängt ausschließlich von
der Einstellung der beiden eingesetzten PI-Regler des Netzstromrichters
(SRN) ab, wobei saubere Netzverhältnisse
vorausgesetzt werden.
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Bei
der beschriebenen Regelung des Netzstromrichters sind auf Grund
der verwendeten hohen Pulsfrequenzen, wegen der hohen Schaltverluste, größere Leistungsbereiche
nicht realisierbar.
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Ein
Verfahren zur Steuerung eines Puls-Umrichters wird in der den Oberbegriff
bildenden
US 4,984,147 beschrieben.
Zur Steuerung dieses Puls-Umrichters wird der Netzstrom in eine
Wirk- und eine Blindleistungskomponente getrennt, die über getrennte
Stromregler geführt
werden und vor einem Koordinatenwandler zusätzlich, mittels getrennter Kompensatoren
erzeugte, Anteile für
den Wirk- und den Blindanteil aufgeschaltet werden.
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Auch
bei diesem Verfahren kann keine hohe Regeldynamik bei einer stabilen
Steuerung des Puls-Umrichters erreicht werden.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur hochdynamischen
und stabilen Regelung von Umrichtern im höheren Leistungsbereich mit
Spannungszwischenkreis vorzuschlagen, bei der die Zwischenkreisspannung
unabhängig
von Belastungsänderungen
durch eine Regelung des Netzstromrichters konstant gehalten wird.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe bei dem gattungsgemäßen Verfahren
durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen
Merkmale gelöst.
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Dabei
werden zur Regelung der Zwischenkreisspannung durch den Netzstromrichter
grundsätzlich ähnliche
Regelstrukturen wie bei den bekannten Verfahren für die Regelung
des Maschinenstromrichters verwendet.
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Die
Netzströme
des Drehstromnetzes werden durch einen Stromkoordinatenwandler mit
anschließendem
Vektordreher in eine Wirkkomponente und eine Blindkomponente des
Netzstromes transformiert, die mit den entsprechenden Sollwerten
verglichen und getrennten Stromkomponentenreglern zugeführt werden.
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Der
Sollwert für
die Wirkkomponente des Netzstromes wird durch einen Zwischenkreisspannungsregler
aus der Differenz von Sollwert und Istwert der Zwischenkreisspannung
bereitgestellt, während
der Sollwert für
die Blindkomponente grundsätzlich
den Wert 0 haben soll.
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Der
Netzspannungsbetrag wird aus den Netzspannungen der drei Drehstromphasen
durch einen Spannungskoordinatenwandler und einen sich anschließenden Vektorfilter
ermittelt. Durch den Vektorfilter wird auch der Winkel υu ermittelt,
mit dem das rotierende Koordinatensystem umläuft, der zur Steuerung der
beiden Vektordreher für
die Netzstromkomponenten sowie die Stellgrößenkomponenten des Netzstromrichters
herangezogen wird.
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Damit
sich die beiden Stromregelkreise nicht gegenseitig beeinflussen,
wird ein Entkopplungsnetzwerk, in dem die Netzparameter durch Widerstände und
Induktivitäten
sowie durch Differenzierglieder nachgebildet werden, in die Regelstruktur
integriert. Dieses Entkopplungsnetzwerk wird parallel zu den beiden
Stromkomponentenreglern angeordnet und verarbeitet den Netzspannungsbetrag,
die Netzkreisfrequenz sowie die beiden Stromkomponenten-Sollwerte
zu Ausgangsgrößen, von
denen die entsprechenden Ausgangsgrößen der Stromkomponentenregler
subtrahiert werden, um die Stellgrößenkomponenten des Netzstromrichtereingangsspannungsraumzeigers
zu erhalten. Diese werden nun in einem weiteren Vektordreher und
anschließenden Koordinatenwandler
in die Steuergrößen des
Netzstromrichters transformiert.
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Durch
die parallele Anordnung des Entkoppungsnetzwerkes zu den Stromkomponentenreglern wird
die gesamte Regelung unempfindlich gegen oberwellenbehaftete Netze.
Die Regelung wird robuster gegen Parameterschwankungen auf der Netzseite
bei gleichzeitiger Erhöhung
der Regelgenauigkeit und einer Reduzierung der Netzrückwirkungen auf
ein Minimum. Weiterhin besteht der Vorteil einer vereinfachten Einstellung
der Regler bei der Inbetriebnahme des Umrichters. Eine hohe Regeldynamik
wird durch das Entkopplungsnetzwerk gewährleistet, während die
parellel angeordneten Stromkomponentenregler der Nachführung von
Abweichungen der Netzdrossel von den idealen Drosselparametern,
z. B. Sättigungs-
und Temperatureinflüsse, dienen
und somit „unkritisch" eingestellt werden
können.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung können
den Unteransprüchen
entnommen werden.
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Die
Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles
näher erläutert werden.
Die dazugehörigen
Zeichnungen stellen dar:
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1:
Regelkreis für
den Netzstromrichter
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2:
Entkopplungsnetzwerk als Parallelentkopplung
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In
der 1 ist ein Regelkreis zur Regelung des Netzstromrichters
und damit der Zwischenkreisspannung in einem Umrichter dargestellt.
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Der
Netzstromrichter 11 ist an die drei Phasen R, S, T eines
Drehstromnetzes mit den Netzparametern Rn', Ln' angeschlossen
und erzeugt eine Gleichspannung Uz, die Zwischenkreisspannung des Umrichters.
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Zur
schnellen Regelung der Zwischenkreisspannung Uz muß am Eingang
des Netzstromrichters eine Spannung Ue (ue1,
ue2, ue3) derart erzeugt werden, daß die dem Zwischenkreis entnommene Leistung
Pab durch eine aus dem Netz entnommene Leistung
Pzu kompensiert wird. Eine Differenz beider Leistungen
findet in der Veränderung
der Zwischenkreisspannung Uz_ist ihren Ausdruck. Der zur Erzeugung
der Leistung Pzu notwendige Netzstrom In (in1, in2, in3) wird durch
die Differenz der Netzstromrichtereingangsspannung Ue (ue1, ue2, ue3) und der Netzspannung Un (un1, un2, un3) sowie durch
die Netzparameter Ln',
Rn' bestimmt. Durch
eine schnelle Regelung der Wirk- und der Blindkomponente des Netzstromes In (in1, in2, in3) wird die
schnelle Veränderung
des Leistungsflusses erreicht.
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In
der Regelungsstruktur gem.
1 werden zunächst die
Netzströme
in1, in2, in3 und die Netzspannungen un1, un2, un3 durch die Koordinatenwandler
1 bzw. 2 in ein zweiphasiges Drehstromsystem mit den Komponenten
inα, inβ sowie unα, unβ überführt. Durch
die Betragsbildung im Vektorfilter
3 von
mit
einer Winkelbildung υu
= arctan ( unα / unβ) wird der Netzspannungsraumzeiger
Un bestimmt. Dieser stellt die Basis des
rotierenden Koordinatensystems, das mit dem Winkel υu umläuft, dar.
Mit Hilfe des Vektordrehers
4 werden anschließend die
Netzstromkomponenten inα,
inβ in zwei Gleichgrößen ind
und inq transformiert. Die Größe ind stellt
die Wirkkomponente des Netzstromes und die Größe inq die Blindkomponente
des Netzstromes dar. Die Größe ind wird
nun vom Wirkstromsollwert ind_soll, der durch den Zwischenkreisspannungsregler
7 bereitgestellt
wird, subtrahiert. Die Größe inq wird
vom Blindstromsollwert inq_soll, der grundsätzlich den Wert 0 haben soll,
subtrahiert. Diese beiden Differenzen werden nun den separaten Stromkomponentenreglern
8 und
9 zugeführt. Die
Stromkomponentenregler
8,
9 sind als PI – Regler
ausgeführt
und haben eine Nachstellzeit von TN = Tn = Ln / Rn.
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Parallel
zu den Stromkomponentenreglern 8, 9 ist ein Entkopplungsnetzwerk 10 angeordnet,
in dem mit Hilfe von Widerständen
Rn, Induktivitäten
Ln und Differenziergliedern pTn, gem. 2 eine Nachbildung
der Netzparameter Rn' und
Ln' erfolgt. Im Entkopplungsnetzwerk 10 werden
der Netzspannungsbetrag und, die Netzkreisfrequenz ωn = 2 π fn, sowie
die beiden Stromsollwerte inq_soll für die Blindkomponente und ind_soll
für die
Wirkkomponente zu Ausgangswerten ed und eq verarbeitet, von denen
die Ausgangsgrößen yd,
yq der Stromkomponentenregler 8, 9 subtrahiert
werden. Das Ergebnis sind die Stellgrößenkomponenten ued, ueq des Wechselrichtereingagsspannungsraumzeigers Ue, die anschließend im
Koordinatendreher 5 mit Hilfe des Winkels υu, der durch
den Vektorfilter 3 bereitgestellt wird, in die beiden Wechselgrößen ueα, ueβ transformiert.
Diese werden dann im Koordinatenwandler 6 in ein dreiphasiges
System ue1, ue2, ue3 umgewandelt und letztlich durch den Wechselrichter 11 realisiert.
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Dadurch
wird eine außerordentlich
schnelle Verstellung der Spannung Ue nach
Betrag und Phase ermöglicht.
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Durch
diese Regelstruktur wird eine hochdynamische, stabile Regelung der
Zwischenkreisspannung Uz realisiert.
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Im
Gegensatz zu den bekannten Regelstrukturen zur Regelung des Maschinenstromrichters,
die eine Längsentkopplung
realisieren (das Entkopplungsnetzwerk ist den Stromkomponentenreglern nachgeschaltet),
wird hier eine Parallelentkopplung durchgeführt, d. h. das Entkopplungsnetzwerk 10 ist parallel
zu den Stromkomponentenreglern 8, 9 angeordnet.
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Die
Nachteile der bekannten Längsentkopplung
bestehen darin, daß Regelstrukturen
dieser Art sehr parameterempfindlich sind und zur Realisierung einer
hohen Dynamik wegen der Verzögerungsglieder
in der Entkopplung sehr hohe Wertebereiche für die Ausgangsgrößen der
beiden Stromregler zulassen müssen.
Dadurch kommt es sehr schnell zu unerwünschten und schwer beherrschbaren
Schwingvorgängen.
Eine weitere Schwierigkeit besteht bei der Inbetriebnahme solcher
Umrichter, da die Einstellarbeiten der Stromregler und des Entkopplungsnetzwerkes
durch die gegenseitige Beeinflussung kompliziert und zeitaufwendig
sind.
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Bei
der gewählten
Parallelentkopplung greifen die Ausgangsgrößen yd und yq des Wirk – und des
Blindstromreglers, die parallel zur Entkopplung arbeiten, direkt
auf die Komponenten ued, ueq des Wechselrichtereingagsspannungsraumzeigers Ue durch. Das bedeutet, daß die Wertebereiche
für yd und
yq, im Gegensatz zur Längsentkopplung,
relativ klein gehalten werden können.
Im Falle idealer Entkopplung ( Rn' = Rn, Ln' = Ln) nehmen die Ausgangsgrößen yd,
yq der Stromkomponentenregler den Wert 0 an. Im praktischen Fall
stellen sich statische Arbeitspunkte der Stromregler, die von der
nicht genauen Kenntnis der Werte Ln' und Rn' herrühren, ein. Im dynamischen Fall
kommt es dann zu kleinen Über-gangsvorgängen der
Werte yd und yq. Die Stromkomponentenregler 8, 9 in
der Parallelstruktur unterstützen
die Entkopplung nur im dynamischen Fall und haben als Ausgangswerte
im Gegensatz zu einer Längsregelstruktur
nur sehr kleine Zahlenwerte, was für eine rechentechnische Realisierung
der Regelschaltung von Vorteil ist. Die Regelungsstruktur eignet
sich somit außerordentlich
gut für
eine Realisierung durch einen Mikrorechnerregler.
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Die
innere Struktur des Entkopplungsnetzwerkes 10 für die Parallelentkopplung
ist in 2 dargestellt.
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Die
Netzparameter werden im Entkopplungsnetzwerk 10 durch die
Widerstände
Rn, die Induktivität
Ln sowie Differenzierglieder pTn und Dämpfungsfaktoren Kd nachgebildet.
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Für die Entkopplung
gelten folgende Gleichungen: ued = und – Rn·ind_soll·(1 + pTn·Kd) + ωn·Ln·inq_soll – yd [1] ueq = – Rn·inq_soll·(1 + pTn·Kd) – ωn·Ln·ind_soll – yq [2]
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Da
die exakte technische Realisierung des Differenziergliedes pTn in
der Regelstruktur nach 2 in der Praxis durch Meßwertrauschen,
Störungen
auf den Meßwerten
und die abtastende Arbeitsweise der Mikrorechner oftmals Schwierigkeiten
bereitet, wird ein Dämpfungsfaktor
Kd eingeführt.
Dieser wird je nach Art des zeitlichen Verlaufs der Größen ind_soll,
inq_soll zwischen dem Wert 0 und 1 eingestellt. Der Wert 1 stellt
auch im dynamischen Fall eine exakte Entkopplung sicher. Bei einem
Wert Kd < 1 kommt
es im dynamischen Fall zu leichten Übergangsvorgängen der
Ausgangsgrößen yd und
yq der beiden Stromkomponentenreglern 8, 9, die
jedoch aperiodischer Art sind und keine negativen Auswirkungen auf
die Stabilität
der Regelung haben. Die Einstellung der Stromkomponentenregler 8, 9 kann im
Gegensatz zu einer Längsentkopplung
unabhängig
von den im Entkopplungsnetzwerk 10 eingestellten Parametern
Rn, Ln erfolgen, was insbesondere bei einer Inbetriebnahme der vorgestellten
Regelungsstruktur von Vorteil ist.
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Diese
Regelung ist weiterhin außerordentlich robust
gegen Parameteränderungen
der Netzparameter Rn' und
Ln'. Fehlabstimmungen
der Werte Rn, Ln im Entkopplungsnetzwerk werden durch statische Arbeitspunkte
des Wirkstromreglers 9 und des Blindstromreglers 8 kompensiert.
Die erfindungsgemäße Regelstruktur
arbeitet im Gegensatz zu einer Längsentkopplung
auch noch bei starker Fehlentkopplung stabil.
