DE2010046C3 - Zündsteuergerät für einen netzgeführten Stromrichter - Google Patents
Zündsteuergerät für einen netzgeführten StromrichterInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf sin Zündsteuergerät für einen netzgeführten Stromrichter mit einem selbstschwingenden
Oszillator, dessen Frequenz etwa ein ganzzahliges Vielfaches der Netzfrequenz ist und
dessen Ausgangsspannung die Zündung der Stromrichterventile in vorgegebener Reihenfolge mit veränderlichem
Zündwinkel steuert, wobei im Oszillator eine sich zeitlich monoton ändernde Referenzspannung gebildet
und mit einer aus einer Regelgröße des Stromrichters abgeleiteten Steuerspannung verglichen wird,
und die Referenzspannung jeweils zurückgesetzt und jeweils ein Zündimpuls für die Stromrichterventile ausgelöst
wird, wenn die Differenz zwischen Steuerspannung und Referenzspannung einen vorgegebenen
Grenzwert erreicht Ein solches Zündsteuergerät ist bekannt (DE-OS 1811 199).
Bei herkömmlichen Zündsteuergeräten für Stromrichter ist es üblich, daß für jedes Stromrichterventil ein
Signal aus der Netzspannung gewonnen wird, das den Zeitpunkt der natürlichen Kommutierung anzeigt. Aus
diesen Signalen werden Zünüimpulse für die Stromrichterventile abgeleitet. Diese Zündsteuergeräte arbeiten
bei oberschwingungsarmer Netzspannung zuverlässig. Bei schwachen Netzen mit großem Innenwiderstand
kann die Kurvenform der Netzspannung auf Grund eines starken Anteils an Oberschwingungen so
stark verformt sein, daß die aus der Netzspannung gewonnenen Signale gegenüber den Zeitpunkten der natürlichen
Kommutierung verschoben sind. Die aus diesen verschobenen Signalen abgeleiteten Zündimpulse
liegen zeitlich nicht mehr richtig zur Netzspannung. Es können daher Instabilitäten in der Arbeitsweise
eines Stromrichters auftreten, der an ein schwaches Netz angeschlossen ist
Zur Vermeidung derartiger Instabilitäten ist ein Zündsteuergerät für einen netzgeführten Stromrichter
mit einem selbstschwingenden Oszillator bekannt, dessen Frequenz etwa ein ganzzahliges Vielfaches der
Netzfrequenz ist und dessen Ausgangsspannung die
ίο Zündung der Stromrichterventile in vorgegebener
Reihenfolge mit veränderlichem Zündwinkel steuert (J. D. A i η s w ο r t h, »The Phase-Locked Oszillator —
A New Control System for Controlled Static Converters«, IEEE Transaction on Power Apparatus and
einen frequenzgesteuerten Oszillator.
Stromrichters mit einem Sollwert verglichen. Die Reglerausgangsspannung steuert die Frequenz des
Oszillators.
Der Oszillator des bekannten Zündsteuergerätes enthält einen von der Reglerausgangsspannung angesteuerten
Integrator, eine nachgeschaltete Triggerstufe und einen Pulsgenerator (US-PS 34 66 525). Der Integrator
erzeugt eine zeitproportional mit seiner Eingangsspanniuig
linear ansteigende Rampenspannung, die auf Null zurückgesetzt wird, wenn sie ein vorgegebenes
Niveau der Triggerstufe erreicht Jeder Puls des Pulsgenerators schaltet den Ringzähler zur Auslösung
der Zündimpulse um eine Stufe weiter.
Beim Auftreten einer Störung ändert sich der Laststrom des Stromrichters und damit die Reglerausgangsspannung
zur Steuerung der Frequenz des Oszillators. Es stellt sich e;ne geänderte Frequenz ein, die eine fortlaufende
Änderung der Zündwinkel bewirkt bis über den Regelkreis die auftretende Störung kompensiert ist.
Die Art der Frequenzsteuerung des bekannten Zünd-
Steuergeräts bedingt ein integrales Übergangsverhalten, das zu einer geringen Regelgeschwindigkeit führt.
Ein ähnliches Verhalten weist auch das bekannte Zündsteuergerät der eingangs genannten Art auf. Da
bei diesem die Referenzspannung zur Zeitmessung dient ist ihre Steilheit auf einen möglichst konstanten
Wert festgelegt Die Rücksetzung der Referenzspannung erfolgt jeweils bis auf den Wert Null.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Zündsteuergerät der eingangs genannten Art zu schaffen, das
auftretende Störungen schneller ausregelt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Betrag, um den die Referenzspannung jeweils
zurückgesetzt wird, konstant ist und daß zur arbeitspunktabhängigen
Beeinflussung der Frequenz des
SS Oszillators die Referenzspannung sich zeitlich nach
einer gekrümmten Kennlinie mit abnehmender Steilheit ändert
Beim Auftreten einer Störung wird beim erfindungsgemäßen Zündsteuergerät die Phase der Oszillatorausgangsspannung
im wesentlichen in proportionaler Abhängigkeit von einer Regelgröße des Stromrichters verändert
Als geeignete Regelgröße kann vorzugsweise der Laststrom des Stromrichters verwendet werden.
Diese Art der im wesentlichen proportionalen Phasensteuerung ermöglicht eine raschere Ausregelung von
Störungen.
Zur Erzeugung der Referenzspannung nach einer gekrümmten Kennlinie mit abnehmender Steilheit sieht
eine weitere Ausfuhrungsform der Erfindung einen Integrator vor, der einen mit einer konstanten
Spiisegleichspannung angesteuerten Gleichspannungsverstärker mit einem verlustbehafteten Rückkopplungskondensator oder mit einem Rückkopplungskondensator
mit einem ohmschen Parallelwiderstand enthält
Das erfindungsgemäße Zündsteuergerät und seine Funktionsweise wird an Hand der Figuren näher
erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen
Zündsteuergerats für einen netzgeführten Stromrichter.
Fig. la Diagramme von aus der Netzspannung gewonnenen Impulsen,
Fig.2 den prinzipiellen zeitlichen Verlauf der
ausgangsseitigen Gleichspannung des Stromrichters, der Steuerspannung und der Referenzspannung.
Fig. 3 den zeitlichen Verlauf von Steuerspannung und Referenzspannung, sowie den Verlauf einer
gekrümmten Kennlinie mit abnehmender Steilheit.
In der Darstellung der Fig.l wird ein als
Gleichrichter ausgebildeter Stromrichter 1 aus einer Drehstromquelle mit den Phasen RST über einen
Dreiphasentransformator 2 gespeist. Der Stromrichter 1 enthält Stromrichterventile 3a bis 3f, die beispielsweise
Thyristoren sein können, in einer Drehstrom-Brückenschaltung. Im Lastkreis 4 des Stromrichterv 1
liegt eine Last 5. Über einen Stromwandler 6 iin
Lastkreis 4 wird der Stromistwert h als eine Regelgröße des Stromrichters entnommen. Der Stromistwert /.wird
mit einem vorgegebenen Stromsollwert /$ verglichen. Die Regelabweichung wird einem Regelverstärker 7
zugeführt, an dessen Ausgang 8 eine Steuerspannung IA
erscheint. Die Steuerspannung Us ist einem Eingang 9 eines Grenzwertmelders 10 zugeleitet. Am zweiten
Eingang M des Grenzwertmelders 10 liegt eine Referenzspannung Uk, die nach einer in F i g. 3
dargestellten gekrümmten Kennlinie 43 mit abnehmender Steilheit mit der Zeit ansteigt. Die Referenzspannung
Ur entsteht aus einer konstanten Eingangsgleichspannung Ue, die am Eingang 12 eines mit einem
Rückkopplungskondensator 13 als Integrator beschalteten
Gleichspannungsverstärkers 14 anliegt. Der Integrator enthält entweder einen verlustbehafteten
Rückkopplungskondensator 13 oder einen Rückkopplungskondensator mit einem — strichliert dargestellten
— ohmschen Parallelwiderstand 42. Die Referenzspannung Ur steigt an, bis die Differenz zwischen der
Steuerspannung Usund der Referenzspannung L/Keinen
dem Grenzwertmelder 10 vorgegebenen Grenzwert erreicht. Beim Erreichen dieses Grenzwertes gibt der
Grenzwertmelder 10 einen Impuls ab, der über eine Leitung 15 eine monostabile Kippstufe 16 stellt. Die
Spannungszeitfläche des Impulses der monostabilen Kippstufe 16 ist so gewählt, daß die Referenzspannung
Ur unabhängig von ihrem jeweiligen Wert über eine Leitung 17 um einen konstanten Betrag zurückgesetzt
wird. Die Referenzspannung Ur schwingt also sägezahnförmig mit der 6fachen Frequenz der Drehstromquelle.
Bei einer Netzfrequenz von 50 Hz beträgt die Frequenz der sägezahnförmigen Referenzspannung
also 300 Hz. Gleichzeitig wird mit dem Impuls der monostabilen Kippstufe 16 über eine Leitung 18 ein
sechsstufiger Ringzähler 19 um eine Stufe weitergeschaltet, der aus sechs bistabilen Kippstufen 20a bis 2Of
aufgebaut ist. Vom Ringzähler 19 werden Zündimpulse über die Ausgänge 21a bis 21/und über Impulsverstärker
22 nacheinander in der richtigen Reihenfolge auf die
Zur Erläuterung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen
Zündsteuergeräts werden die F i g. 2 und 3 betrachtet, in denen die Steuerspannung Us und die
sägezahnförmige Referenzspannung Uk über die Zeit ι
aufgetragen sind. Als Grenzwert für die Differenz zwischen Steuerspannung Us und Referenzspannung
ίο Pfeilen gekennzeichneten Stellen Störgrößen ein,
beispielsweise Netzspannungsschwankungen, so bewirkt im Regelverstärker 7 die Differenz zwischen dem
von den Störgrößen geänderten Stromistwert A und dem konstanten Stromsollwert Is eine Änderung der
Steuerspannung Us. Die vom Grenzwertmelder 10 abgegebeiien Impulse zum Steilen der nachgeschalteten
monostabilen Kippstufe 16 werden jetzt bei einem kleineren oder größeren Wert der Referenzspannung
abgegeben. Die sägezahnförmige Referenzspannung Ur wird in der gewählten Darstellung angehoben. Nach
der Störung tritt ein Phasensprung ein, der einen anderen Zündwinkel zur Folge hat. Dieser bleibt
erhalten, bis die Störgröße verschwunden ist. Danach gehen die Steuerspannung Us und damit auch die Phase
der Oszillatorschwingung wieder auf ihren Anfangswert zurück.
Beim Betrieb eines derartigen Zündsteuergeräts sind Störgrößen zu erwarten, die die Frequenz der
Versorgungsspannung oder aber die Frequenz des Oszillators beeinflussen. Die letztgenannten Störgrößen
sind beispielsweise eine Drift im Gleichspannungsverstärker 14, Schwankungen der Gleichspannung Ue, eine
sich ändernde Spannungszeitfläche der monostabilen Kippstufe 16 oder normale Ungenauigkeiten der
verwendeten Bauelemente. Diese frequenzbeeinflussenden Störgrößen kann man sich am Summierpunkt des
Gleichspannungsverstärkers 14 angreifend denken. Derartige frequenzbeeinflussende Störgrößen sind beim
erfindungsgemäßen Zündsteuergerät dadurch berücksichtigt, daß die zeitliche Veränderung der Referenzspannung
nach der in F i g. 3 dargestellten gekrümmten Kennlinie 43, also mit abnehmender Steilheit erfolgt.
Eine derartige gekrümmte Kennlinie weist der Integrator 14 auf, da er einen verlustbehafteten Rückkopplungskondensator
13 oder einen Rückkopplungskondensator 13 mit einem — strichliert dargestellten —
ohmschen Parallelwiderstand 42 enthält. Durch die gekrümmte Kennlinie des Integrators 14 ist die
Frequenz der sägezahnförmigen Referenzspannung Ur vom Arbeitspunkt abhängig. Wird beispielsweise ein
geringerer Stromsollwert Is vorgegeben, dann vergrößert sich der Zündwinkel, und gleichzeitig verringert
sich die Frequenz. Die Verringerung der Frequenz bewirkt eine weitere ZündwinkelvergröOerung und
damit eine Stromabnahme. Der Stromregler verringert seine Ausgangsspannung, um den Strom an den neuen
Sollwert anzupassen. Dabei wird die Frequenz wieder langsam größer, bis die Referenzspannung Ur erneut
mit ihrer vorgegebenen Frequenz, beispielsweise mit 300 Hz, schwingt und die Steuerspannung Us wieder
ihren Ausgangswert erreicht hat
In der Darstellung der Fig.3 ist an der mit einem
Pfeil gekennzeichneten Stelle ein Sprung des Stromsollwertes Is angenommen. Man erkennt, daß die Steuerspannung
Us nach dem Ausregeln des dynamischen Vorganges wieder auf ihren Anfangswert zurückläuft.
Hierdurch ist sichergestellt, daß die Steuerspannung Us stets im mittleren Spannungsbereich des Reglers 7
bleibt. Die Steuerspannung Us kann also nicht bis zur Spannungsbegrenzung des Reglers 7 driften, wo der
Regelkreis nicht mehr arbeitsfähig ware.
Zusammenfassend ist daher festzustellen, daß eine Änderung der aus einer Regelgröße des Stromrichters
abgeleiteten Steuerspannung Us eine proportionale Phasenverschiebung der sägezahnförmigen Referenzspannung
Ur, aber auch auf Grund der nach einer gekrümmten Kennlinie verlaufenden Referenzspannung
gleichzeitig eine geringe Frequenzänderung bewirkt. Das dynamische Verhalten des erfindungsgemäßen
Zündsteuergeräts ist daher proportional-integral, wobei die Frequenzdifferenz zwischen der
Netzfrequenz und der Frequenz der Oszillatorschwingung ein MaB für den integralen Anteil ist. Da die
Frequenz der sägezahnförmigen Referenzspannung Ur
nur minimal verstellt wird, ist die Integrationszeilkon
stante sehr groß. Das dynamische Verhalten des erfindungsgemäßen Zündsteuergerätes kann daher im
praktischen Betrieb als näherungsweise proportional angesehen werden.
Bei größeren Störungen besteht die Möglichkeit, daß eine Phasenverschiebung der sägezahnförmigen Referenzspannung
Ur so groß wird, daß ein Zündwinkel erscheint, bei dem die Steuerung des Stromrichters I
und die angelegte Wechselspannung nicht mehr synchron sind. Die Verstellung des Zündwinkels « muß
daher durch eine untere und obere Grenze beschränkt sein. Der Zündwinkel soll in bezug auf die Wechselspannung
einen unteren Grenzzündwinkel &o - 0° nicht
unterschreiten und einen oberen Grenzzündwinkel λι nicht überschreiten, der kleiner als 180° sein muß, z. B.
αϊ = 150°. Da die Referenzspannung Ur frei schwingt,
wird die Begrenzung des Zündwinkels aus der angelegten Wechselspannung entnommen. Somit ist
zwar das erfindungsgemäße Zündsteuergerät wiederum von der angelegten Wechselspannung abhängig, jedoch
nur zur Bildung der genannten Grenzzündwinkel. Zwischen den Grenzzündwinkeln wird der Oszillator
nicht mit der Wechselspannung synchronisiert. In ^0
diesem Bereich verstellt der Regelkreis den Zündwinkel α immer so, daß der Stromistwert A gleich dem
Stromsollwert U ist.
Fig. 1 zeigt, wie die Grenzzündwinkel ouaundaci aus
von der Wechselspannung des Stromrichters 1 synchronisierten Impulsen mit Hilfe logischer Verknüpfungen
gewonnen werden. Die Phasen RST der Drehstromquelle sind an die Primärwicklungen eines Synchronisiertransformators
23 angeschlossen. Die Anschlüsse 24a bis 24/der Sekundärwicklungen des Synchronisiertransformator*
23 sind an die Eingänge von Grenzwertstufen 23a in die F i g. i aufgenommen. Das Schema der
Zuordnung zwischen den Anschlüssen 24a bis 24/" der
Sekundärwicklungen des Synchronisiertransformators 23 und den Grenzwertstufen 25 kann der Bezeichnung
der Ausgänge 26a bis 26/" der Grenzwertstufen 25 entnommen werden,die in der Fig. 1 angegeben sind.
Von den Grenzwertstufen 25 werden Rechteckimpulse mit einer Breite von je 180° el erzeugt, die an den
Ausgängen 26a bis 26/anstehen. Dabei erhält man pro
Phase der Wechselspannung zwei Impulsfolgen, die um 180° el gegeneinander verschoben sind. Je drei dieser
Impulsfolgen werden über die entsprechenden Ausgänge 26a bis 26/ den drei Eingängen eines der sechs
UND-Gatter 27a bis 27/ zugeführt, von denen die UND-Gatter 27 und 2Jb in Fi g. 1 eingezeichnet sind.
Bezüglich des Schemas, nachdem die Ausgänge 26a bis 26/ den UND-Gattern 27 zugeführt werden, wird
ebenfalls auf die F i g. 1 verwiesen. An den Ausgängen
28a bis 28/dcr UND-Gatter 27 erhält man Impulse von je 60° el Breite, die gegeneinander um 60° el verschoben
sind. Die Impulse von je 180" el Breite und die Impulse von je 60 el Breite sind in der Fig. la
dargestellt, wobei die Inipulst· den Ausgängen 26a bis
26/dcrGrenzwcitMiifen 25«i bis 25Aundden Ausgängen
JAa bis 28/der UN U-Gatter 27.1 bis 27/z.ugeordnct sind.
Der Fig. la ist cbenlalls das /uordnungsschcma der
Impulsfolgen zu entnehmen, d.is für die Gewinnung der
Impulse von je dOc el Breite benutzt wird.
Mit den Rci'htcckimpuKcn von je b0' el Breite
werden für jedes Stromrichterventil die Grenz/ündwinkcl
\o und λι mit Hilfe logischer Verknüpfungen
festgelegt. Die Folge der Rechtcckimpulse von je 60' el
Breite kann man sich als ein Netz vorstellen, das mit der 6fachen Netzfrequenz mit dem Netz umläuft. Die an den
Ausgängen 21a bis 21 Ades Ringzählers 19 anstehenden Zündimpulse kann man sich als ein zweites Netz
vorstellen, das sich gegen das erste Netz um einen Winkel verdrehen kann. Die logische Schaltung, die sich
zwischen den beiden Netzen befindet und die im folgenden beschrieben wird, erfaßt den Winkel, um den
beide Netze gegeneinander verdreht sind, und verhindert, daß die Grenzzündwinkel «o und λι überschritten
werden.
Die Ausgänge 28a bis 28/der UND-Gatter 27a bis 27/
und die entsprechenden Ausgänge 21a bis 21/ des Ringzählers 19 sind an je einen der beiden Eingänge von
UND-Gattern 29a bis 29/geführt. Beispielsweise sind die Ausgänge 28a und 21a an das UND-Gatter 29a
gelegt. Die Ausgänge 30a bis 30/der UND-Gatter 29a bis 29/ sind auf ein negiertes ODER-Gatter 31
geschaltet, dessen Ausgang 32 zusammen mit dem Ausgang 15 des Grenzwertmelders 10 einem weiteren
UND-Gatter 33 zugeführt sind. Vom Impuls des Grenzwertmelders 10, der beim Erreichen des Grenzwertes
der Differenz zwischen Steuerspannung und Referenzspannung ausgelöst wird, wird daher die
monostabile Kippstufe 16 nur dann dargestellt, wenn der untere Grenzzündwinkei λο nicht unterschritten ist
und ein Impuls des negierten ODER-Gatters 31 am UND-Gatter33 anliegt. Die Referenzspannung L/skann
daher auch nach Erreichen des Grenzwertes der Differenzspannung noch weiter ansteigen, solange der
untere Grenzzündwinkel <xb noch unterschritten ist.
Zur Gewinnung des oberen Grenzzündwinkels λ\ sind die Ausgänge 28a bis 28/der UND-Gatter 27a bis
27/und die Ausgänge 21a bis 21/des Ringzählers 19 weiteren UND-Gattern 34a bis 34/ zugeleitet. Es
werden jedoch in diesem Fall den beiden Eingängen beispielsweise des UND-Gatter* 34a die Ausgänge 28a
und 21c/zugeführt, auf denen um 180° el gegeneinander
verschobene Impulse anstehen. Die Ausgänge 28b und 2t e liegen am UND-Gatter 34b. Die Ausgänge 35a bis
35/ der UND-Gatter 34a bis 34/ liegen an einem negierten ODER-Gatter 36, dessen Ausgang 37
zusammen mit dem Ausgang 15 des Grenzwertmelders 10 einem ODER-Gatter 38 zugeleitet ist. Vom
Ausgangsimpuls des ODER-Gatters 38 wird die monostabile Kippstufe 16 gestellt Der Impuls zur
Rücksetzung der Referenzspannung Ur wird daher unabhängig vom Erreichen des Grenzwertes des
Grenzwertmelders für die Differenz zwischen der Steuerspannung Us und der Referenzspannung Un
ausgelöst, wenn der Grenzzündwinkel αϊ Oberschritten
wird.
28, die an die UND-Gatter 34 gelegt .sind, würde man
einen festen oberen Grenzzündwinkel i\[ = 120'
erhalten. Um diesen Grenzzündwinkel n\ zu vergrößern, muß der am UND-Gatter 38 anliegende Impuls
verzögert werden. Hierzu ist der Ausgang 37 des negierten ODER-Gatters 36 direkt an einen Eingang
eines weiteren UND-Gatters 39 gelegt. Der zweite Eingang des UND-Gatters 39 ist mit dem Ausgang 37
des negierten ODER-Galters 36 unter Zwischenschaltung
eines weiteren negierten ODER-Galters 40 und einer monostabilen Kippstufe 41 mit einstellbarer
Impulsbreite verbunden. Vom Ausgang des negierten ODER-Gatters 40 wird die monostable Kippsiufe 41
gestellt. Abhängig von der einstellbaren Impulsbreite des Impulses der inonostabilen Kippsiufe 41 erhalt man
daher am Ausgang des UND-Gatters 39 einen verzögerten Impuls, der dem Eingang des ODER-Gatlers
38 zugeführt isl. Es lassen sich daher durch
Veränderung der Impulsbreite der monostabilcn Kipp
siufe 41 beliebige obere (irenzzündwitikel \i /wischen
I201 und 180 el einstellen.
Anzuführen ist noch, daü mit einem Zündsteuergerat
das entsprechend dem geschilderten Ausführungsbeispiel aufgebaut isl, Ziindwinkclfchler erhalten wurden,
die kleiner als ± 0,25" sind.
Hierzu 3 Blatt zeichnungen
809636/102
Claims (2)
1. Zündsteuergerät für einen netzgeführten Stromrichter mit einem selbstschwingenden Oszillator,
dessen Frequenz etwa ein ganzzahliges Vielfaches der Netzfrequenz ist und dessen Ausgangsspannung
die Zündung der Stromrichterventile in vorgegebener Reihenfolge mit veränderlichem
Zündwinkel steuert, wobei im Oszillator eine sich zeitlich monoton ändernde Referenzspannung gebildet
und mit einer aus einer Regelgröße des Stromrichters abgeleiteten Steuerspannung verglichen
wird, und die Referenzspannung jeweils zurückgesetzt und jeweils ein Zündimpuls für die Stromrichterventile
ausgelöst wird, wenn die Differenz zwischen Steuerspannung und Referenzspannung
einen vorgegebenen Grenzwert erreicht, d a durchgekennzeichnet, daß der Betrag, um
den die Referenzspannung (Ur) jeweils zurückgesetzt wird, konstant ist und daß zur arbeitspunktabhängigen
Beeinflussung der Frequenz des Oszillators die Referenzspannung (Ur) sich zeitlich nach
einer gekrümmten Kennlinie mit abnehmender Steilheit ändert.
2. Zündsteuergerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Integrator mit gekrümmter
Kennlinie (43) zur Erzeugung der Referenzspannung (Ur), der einen mit einer konstanten Speisegleichspannung
(Ue) angesteuerten Gleichspannungsverstärker (14) mit einem verlustbehafteten Rückkopplungskondensator
(13) oder mit einem Rückkopplungskondensator (13) mit einem ohmschen Parallelwiderstand
(42) enthält.
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