DE19830655A1 - Leistungsabhängige Pulsmusterverschiebung - Google Patents
Leistungsabhängige PulsmusterverschiebungInfo
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur Steuerung von Stromrichtern, insbesondere von Vierquadrantenstellern, beschrieben, welche Stromrichter steuerbare Ventile aufweisen und mittels eines auf die Netzspannung synchronisierten Trägersignals und einer Steuerspannung getaktet werden, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass der Phasenwinkel des Trägersignals (9) zu dem Phasenwinkel der Netzspannungsgrundschwingung (10) um einen Winkel phi¶2¶ verschoben ist und dass der Versatz (phi¶2¶) des Phasenwinkels abhängig von den zweitlich veränderbaren Momentanwerten ausgewählter Kenngrössen bestimmt wird und daher zeitlich variabel ist.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von Stromrichtern, insbesondere von
Vierquadrantenstellern, welche Stromrichter steuerbare Ventile aufweisen, welche mit
tels eines auf die Netzspannung synchronisierten Trägersignals getaktet werden. Der
artige Stromrichter werden unter anderem in Triebfahrzeugen eingesetzt.
Die Taktung von Netzstromrichtern verursacht aufgrund der auftretenden Oberschwin
gungen unerwünschte Netzrückwirkungen, wie beispielsweise zusätzliche Nulldurch
gänge der Versorgungsspannung auf der Zugsammelschiene. Diese Verzerrungen der
Netzspannung können der Auslöser für Störungen in anderen Systemen sein, die
ebenfalls von der Netzspannung gespeist werden. Probleme ergeben sich insbesonde
re dann, wenn in einem Verbund eine Vielzahl von Stromrichtern vorgesehen ist.
Zur Verringerung der Netzrückwirkungen wird beispielsweise in der DE 40 37 531 A1
ein Verfahren beschrieben, welches die Entstehung von Oberschwingungen reduzieren
soll. Dazu ist eine phasenversetzte Taktung der verschiedenen Stromrichter im Verbund
vorgesehen. Es wird ein fester Versatz des Trägersignals zur Netzspannungsgrund
schwingung berechnet und zusätzlich für jeden Stromrichter ein konstanter Offset derart
bestimmt, dass die Taktung der jeweiligen Stromrichter in regelmässigen zeitlichen Ab
ständen erfolgt. Der Versatz ist dabei abhängig von der Anzahl der vorhandenen Strom
richter und deren Anordnung im Verbund; somit also zeitlich konstant. Die durch die
Taktung entstehenden Oberschwingungen werden auf diese Weise zwar reduziert, je
doch ergeben sich weiterhin Netzrückwirkungen, welche negative Auswirkungen auf
andere Systeme nach sich ziehen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Steuerung von Stromrichtern an
zugeben, welches die Rückwirkungen auf die Netzspannung weiter vermindert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Phasenwinkel des
Trägersignals zu dem Phasenwinkel der Netzspannungsgrundschwingung um einen
Winkel ϕ verschoben ist und dass der Versatz ϕ des Phasenwinkels abhängig von den
zeitlich veränderbaren Momentanwerten ausgewählter Kenngrössen bestimmt wird und
daher zeitlich variabel ist.
Derartige Kenngrössen können beispielsweise die Netzspannung oder auch der netz
seitige Strom sein. Es ist auch denkbar, die Verschiebung des Phasenwinkels des Trä
gersignals von der momentanen Netzleistung abhängig zu machen. Ferner können ex
terne Signale, wie beispielsweise Funksignale, netzseitig auftretende Überspannungen
oder dgl. zur Bestimmung des Versatzes verwendet werden.
Aufgrund der Abhängigkeit des Phasenwinkels des Trägersignals von den zeitlich ver
änderlichen Momentanwerten der Kenngrössen ergibt sich in der Summe eine weitge
hende Auslöschung der Oberschwingungen. Die Netzrückwirkungen sind demgemäss
erheblich reduziert. Insbesondere treten keine zusätzlichen Nulldurchgänge der Netz
spannung mehr auf.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen zusammen mit der Beschreibung.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang
mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine Übersicht der Antriebseinheit eines Triebfahrzeugs, welche mit
einem erfindungsgemässen Verfahren gesteuert wird,
Fig. 2 ein Schaltbild eines erfindungsgemäss gesteuerten Netzstromrichters
mit drei Netzkreisen, und
Fig. 3 ein Blockschaltbild, welches eine Ausführungsform des erfindungsge
mässen Verfahrens veranschaulicht.
In Fig. 1 ist eine Antriebseinheit 1 dargestellt, wie sie beispielsweise in Lokomotiven als
Achsantrieb eingesetzt wird. Die Antriebseinheit 1 weist einen Transformator 2 mit einer
Primärwicklung 3 sowie einer oder mehreren Traktionswicklungen 4 auf, einen von dem
Transformator 2 gespeisten Gleichrichter bzw. Vierquadrantensteller 5, welcher seiner
seits einen Gleichspannungszwischenkreis 6 speist, sowie einen Antriebswechselrichter
7, welcher an seinem Ausgang einen Asynchronmotor 8 antreibt. Weiterhin ist eine
Zugsammelschienenwicklung 11 dargestellt, welche die Zugsammelschiene zu den
Wagen mit einer Zugsammelschienenspannung UZS (Fig. 2) speist. Der Übersichtlichkeit
halber ist nur ein Vierquadrantensteller 5 abgebildet; im allgemeinen sind jedoch mehre
re Vierquadrantensteller 5, welche auch als Netzstromrichter bezeichnet werden, sowie
ein bzw. zwei Antriebswechselrichter 7 pro Antriebseinheit 1 vorgesehen. Eine Lokomo
tive weist im allgemeinen mehrere Antriebseinheiten 1 auf und kann mit weiteren Loko
motiven zu einem Zugverbund zusammengeschlossen werden. Die gemeinsame Span
nungsversorgung der vorhandenen Verbraucher wie z. B. Klimaanlagen in den Reise
wagen erfolgt über eine Zugsammelschiene.
Die Anordnung einer Antriebseinheit 1 mit drei Vierquadrantenstellern 5 wird in Fig. 2
veranschaulicht. Es bezeichnet hierbei Un die primärseitige Spannung des Transfor
mators 2, CZ einen Zwischenkreiskondensator sowie LS und CS eine Saugkreisdrossel
bzw. einen Saugkreiskondensator zur Dämpfung von Oberschwingungen im Zwischen
kreis 6. Die an den Wechselrichtern anliegende Spannung (Zwischenkreisspannung)
wird mit Ud bezeichnet.
Die Vierquadrantensteller 5 sind mit als GTOs realisierten elektrischen Ventilen verse
hen, welche durch Zündsignale gesteuert werden. Die Schaltzeitpunkte der GTOs wer
den dabei üblicherweise nach dem Pulsweitenmodulationsverfahren (PWM) durch die
Schnittpunkte eines Trägersignals 9 mit einer den Spannungssollwert festlegenden
Steuerspannung Ust bestimmt. Das Trägersignal 9 kann beispielsweise als Dreieck- oder
Sägezahnspannung vorliegen und ist auf die Netzspannungsgrundschwingung 10
synchronisiert. Eine Phasenverschiebung des Trägersignals 9 gegenüber der Netz
spannungsgrundschwingung 10 bewirkt aufgrund der relativen Verschiebung der Si
gnale zueinander eine Verschiebung der Schaltzeitpunkte der GTOs.
Die Vierquadrantensteller 5 einer Antriebseinheit 1 takten phasenversetzt zueinander,
um die Oberschwingungen zu reduzieren. Der Versatz ϕ des Phasenwinkels gegenüber
der Netzspannungsgrundschwingung 10 setzt sich dabei für jeden Vierquadrantsteller 5
aus einem ersten zeitlich konstanten Anteil ϕ1 und aus einem zweiten zeitlich veränder
baren Anteil ϕ2 zusammen. Zuerst wird für die Ermittlung des zeitlich konstanten Anteils
ϕ1 der Taktzeitpunkt jedes Vierquadrantenstellers 5 derart bestimmt, dass die Gesamt
heit aller miteinander in Wirkverbindung stehenden Vierquadrantensteller 5 gleichmä
ssig über eine Periode getaktet werden kann. Setzt sich eine Antriebseinheit 1 bei
spielsweise aus drei Vierquadrantenstellern 5 zusammen, so beträgt der Phasenwinkel
zwischen den einzelnen Vierquadrantenstellern 120°, d. h. der erste Vierquadranten
steller ist um den Winkel ϕ11=0°, der zweite um ϕ12=120° und der dritte Vierquadranten
steller um ϕ13=240° gegenüber der Netzspannungsgrundschwingung 10 verschoben.
Entsprechend beträgt bei nur zwei Vierquadrantenstellern 5 die Verschiebung des Pha
senwinkels ϕ11=0° bzw. ϕ12=180°. Relativ zueinander weisen alle Vierquadrantensteller
5 eines Zugverbundes somit immer die gleiche Verschiebung auf.
Anschliessend wird der zweite zeitlich veränderbare Anteil des Versatzes (ϕ2 bestimmt.
Das erfindungsgemässe Verfahren sieht dazu vor, abhängig von einem Momentanwert
einer Kenngrösse, wie beispielsweise dem Primärstrom Iprim oder auch der Netzleistung
Uprim.Iprim einer ausgewählten Antriebseinheit 1, welche auch als Master-Antriebs
einheit bezeichnet werden kann, den zeitlich variablen Versatz ϕ2 des Phasenwinkels
des Trägersignals 9 gegenüber der Netzspannungsgrundschwingung 10 zu bestimmen.
Erfindungsgemäss ist vorgesehen, dass die Master-Antriebseinheit derjenigen Lokomo
tive zugeordnet ist, welche eine Zugsammelschiene speist. Der Wert des zeitlich varia
blen Versatzes ϕ2 des Phasenwinkels wird an alle Vierquadrantensteller 5 im Zugver
bund übermittelt und zu dem zeitlich konstanten Versatz ϕ1 jedes Vierquadrantenstel
lers 5 addiert. Es ergibt sich demgemäss durch den zeitlich veränderbaren Anteil des
Versatzes ϕ2 eine Verschiebung des Taktzeitpunkts aller beteiligten Stromrichter im
Zugverbund gegenüber der Netzspannungsgrundschwingung 10, während die Taktzeit
punkte der Stromrichter relativ zueinander unverändert bleiben.
Die Bestimmung des Versatzes ϕ kann gemäss der vorliegenden Erfindung durch ver
schiedene Algorithmen erfolgen. Denkbar ist ein einfacher linearer Zusammenhang
zwischen Versatz ϕ2 und dem Momentanwert der Kenngrösse, wie er in Fig. 3 veran
schaulicht wird. Es können jedoch auch Linear- oder trigonometrische Funktionen, wie
z. B. Tangens, Cotangens, sowie Exponentialfunktionen oder dgl. eingesetzt werden.
Vorzugsweise wird der Versatz ϕ in regelmässigen, genügend klein gewählten Abstän
den, wie beispielsweise im ms-Bereich, bestimmt.
Da es statistisch gesehen sehr unwahrscheinlich ist, dass zwei Triebfahrzeuge im Netz
die gleiche Leistung aufweisen, kann die Anzahl der Fahrzeuge mit gleichem Versatz ϕ
zuverlässig verkleinert werden. Netzrückwirkungen lassen sich auf diese Weise deutlich
verringern.
Neben den bereits beschriebenen Kenngrössen sind weiterhin beliebige andere Grö
ssen zur Steuerung des Phasenwinkelversatzes ϕ2 denkbar, wie z. B. die Steuerspan
nung Ust des Vierquadrantenstellers 5 oder auch externe Grössen, wie Funksignale
oder netzseitige Überspannungen.
1
Antriebseinheit
2
Transformator
3
Primärwicklung
4
Traktionswicklung
5
Vierquadrantensteller
6
Gleichspannungszwischenkreis
7
Antriebswechselrichter
8
Asynchronmotor
9
Trägersignal
10
Netzspannungsgrundschwingung
11
Zugsammelschienenwicklung
LS
LS
Saugkreisdrossel
CS
CS
Saugkreiskondensator
CZ
CZ
Zwischenkreiskondensator
Ud
Ud
Zwischenkreisspannung
Un
Un
Netzspannung
Uprim
Uprim
primärseitige Spannung
Ust
Ust
Steuerspannung
UZS
UZS
Zugsammelschienenspannung
Iprim
Iprim
primärseitiger Strom
ϕ Versatz
ϕ1
ϕ Versatz
ϕ1
zeitlich konstanter Versatz
ϕ2
ϕ2
zeitlich veränderbarer Versatz
Claims (13)
1. Verfahren zur Steuerung von Stromrichtern, insbesondere von Vierqua
drantenstellern, welche Stromrichter steuerbare Ventile aufweisen und mittels eines auf
die Netzspannung synchronisierten Trägersignals und einer Steuerspannung getaktet
werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenwinkel des Trägersignals (9) zu dem
Phasenwinkel der Netzspannungsgrundschwingung (10) um einen Winkel ϕ2 verscho
ben ist und dass der Versatz (ϕ2) des Phasenwinkels abhängig von den zeitlich verän
derbaren Momentanwerten ausgewählter Kenngrössen bestimmt wird und daher zeitlich
variabel ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatz (ϕ2)
des Phasenwinkels gemäss einem ausgewählten Algorithmus bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusam
menhang zwischen der Kenngrösse und dem Versatz (ϕ2) des Phasenwinkels durch
eine lineare Gleichung bestimmt werden kann.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusam
menhang zwischen der Kenngrösse und dem Versatz (ϕ2) des Phasenwinkels durch
eine trigonometrische Gleichung bestimmt werden kann.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
dass als Kenngrösse die Netzleistung gewählt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich mit stei
gender Netzleistung der Versatz (ϕ2) des Phasenwinkels des Trägersignals (9) vergrö
ssert.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,
dass der Versatz (ϕ2) des Phasenwinkels des Trägersignals (9) proportional zu der
momentanen Netzleistung ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
dass als Kenngrösse die Steuerspannung Ust gewählt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
dass als Kenngrösse externe Signale, wie beispielsweise Funksignale, netzseitige
Überspannungen oder dgl. verwendet werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere Stromrichter, insbesondere Vierquadrantensteller (5) vorgesehen sind,
welche miteinander in Wirkbeziehung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass sich der
Versatz (ϕ) des Phasenwinkels des Trägersignals des jeweiligen Stromrichters aus we
nigstens einem ersten Anteil (ϕ1) und einem zweiten Anteil (ϕ2) zusammensetzt, wobei
der erste Anteil (ϕ1) zeitlich konstant und der zweite Anteil (ϕ2) zeitlich variabel ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste
Anteil (ϕ1) eine Funktion der Anzahl der Stromrichter ist, derart, dass die miteinander in
Wirkverbindung stehenden Stromrichter phasenversetzt getaktet werden, so dass der
Phasenwinkel (ϕ1) zwischen jeweils zwei nacheinander getakteten Stromrichtern im
wesentlichen konstant ist.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasen
winkel (ϕ1) zwischen jeweils zwei nacheinander getakteten Stromrichtern maximal ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet
dass der zweite, zeitveränderliche Anteil (ϕ2) abhängig von den zeitlich veränderlichen
Momentanwerten ausgewählter Kenngrössen bestimmt wird.
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